光的力学效应-光镊原理及应用 《大学物理》系列讲座

光电镊的原理范文光电镊是一种基于光电效应的仪器，通过利用光子的能量来控制和操作微小物体。

它常常被用于微机电系统(MEMS)、纳米技术和生物医学领域。

本文将详细介绍光电镊的原理。

光电镊的原理基于光电效应，光电效应是指当光照射到材料表面时，光子的能量可以被材料中的电子吸收，从而使得电子获得足够的能量从材料中脱离。

这个现象由爱因斯坦在1905年首次提出，并且为他赢得了诺贝尔物理学奖。

光电镊通常由两个主要部分组成：光学系统和控制系统。

光学系统由一束激光器和一套光学器件组成，用来产生聚焦的光束。

控制系统通过控制激光器的功率、频率和聚焦光束的位置来实现对物体的操作。

这两个部分密切协作，使得光电镊能够实现高精度和高效率的操作。

具体来说，当激光器发出激光束后，它会经过一系列的光学器件，如透镜和光栅，来聚焦成一个非常小的点。

这个点的大小由入射光束的焦距以及透镜的孔径决定。

光束聚焦后，它的能量密度变高，这是因为原本较大的激光面积被聚焦到一个很小的点上。

这个过程类似于用放大镜来聚焦太阳光照射在一块纸上，可以导致纸燃烧的现象。

当物体放置到激光束的焦点位置时，光电效应发生。

光子的能量被吸收，使得物体表面的电子获得足够的能量从原子中脱离。

这些脱离的电子会产生电荷，导致物体表面带电。

通过控制光束的功率和位置，可以在纳米尺度上控制和操作物体。

控制系统通过调节激光器的功率、频率和聚焦光束的位置来实现对物体的操作。

激光器的功率可以调节激光束的能量密度，从而控制光电效应的强度。

激光器的频率可以调节光束的颜色，不同颜色的光束对物体的光电效应有不同的影响。

聚焦光束的位置可以通过调节透镜的位置实现，使得光束能够准确地照射到物体的表面。

光电镊具有很多优点：高分辨率、高精度、非接触性和对物体的无损操作。

与传统的机械夹具相比，光电镊可以实现对微小物体的高精度操作，不会对物体造成损坏。

此外，它还可以在真空环境下和生物体内进行操作。

光电镊已经在很多领域得到应用，如微电子装备、纳米加工和细胞操作。

光镊的技术原理及应用1. 引言光镊是一种利用激光束产生光压力，对微小粒子进行操控和固定的技术。

其原理基于光子的动量，通过调节激光的光束参数，可以实现对微粒子的捕捉、移动、旋转等精确控制。

光镊技术在生物医学、纳米科学、光学通信等领域具有广泛应用。

2. 原理光镊技术的原理基于光子的动量和光压效应。

光子是光的最小单位，具有一定的动量。

当光子射到物体上时，其动量将被传递给物体，使其受到压力。

利用激光束产生的高强度、高聚焦的光场，可以对微小粒子施加足够的光压力，实现对其进行操控。

光镊技术主要基于两种光压效应：反射光压和偏折光压。

反射光压是指激光束射到微粒子表面后，被微粒子反射回去，产生反向的光压力。

偏折光压是指激光束通过微粒子时，由于微粒子对光的折射率不同于周围介质，产生折射现象，使光束偏折，从而产生光压力。

这两种光压效应可以结合使用，实现对微粒子的精确控制。

3. 技术应用3.1 生物医学领域光镊技术在生物医学领域有广泛的应用。

例如，可以利用光镊技术对单个细胞进行操控和研究，包括单细胞分离、单细胞操控、单细胞解析等。

此外，光镊技术还可以用于显微手术，如利用激光束进行准确切割或光凝固，实现微创手术。

光镊技术在生物医学领域的应用有望进一步推动微创手术的发展，并为生物医学研究带来突破。

3.2 纳米科学领域光镊技术在纳米科学领域也有重要应用。

通过调节激光的光束参数，可以对纳米颗粒进行精确的操控和排列，实现纳米技术的发展。

例如，可以利用光镊技术将纳米颗粒按照一定的规则排列，制备纳米材料的光学器件或纳米电路。

此外，光镊技术还可以用于纳米机器人的控制和操纵，推动纳米科学的进一步研究和应用。

3.3 光学通信领域光镊技术在光学通信领域有着重要的应用。

利用光镊技术，可以对光纤中的光信号进行精确的调控和处理，实现光信号的控制和传输。

例如，可以利用光镊技术对光纤中的光信号进行调制，实现光信号的放大或滤波。

此外，光镊技术还可以用于光纤通信系统中的光路选择和光纤连接的调整，提高光通信的可靠性和性能。

单光束光镊实验与理论分析赵子进;徐春雨;王越飞;吕天翔;孙美玉【摘要】给出了一种实现稳定捕获微小粒子及其显微成像的单光束光镊实验系统,基于此系统研究了单个二氧化硅微球的动态捕获过程.实验中发现要稳定捕获粒子的同时还能够实时观察粒子的运动变化,必须保证物镜的聚焦平面与CCD的成像平面重合.其次,聚焦物镜的数值孔径与激光功率的大小,对实现粒子的稳定捕获具有重要的影响.实验结果与理论分析表明物镜的数值孔径越大、激光功率越大,粒子的捕获力越大,可实现微粒的稳定捕获.此研究有望在大学物理教学及生物的微操控领域具有一定的参考价值.【期刊名称】《大学物理》【年(卷),期】2018(037)004【总页数】7页(P58-63,67)【关键词】光镊;高数值孔径物镜;稳定捕获;二氧化硅微球【作者】赵子进;徐春雨;王越飞;吕天翔;孙美玉【作者单位】鲁东大学物理与光电工程学院,山东烟台 264025;鲁东大学物理与光电工程学院,山东烟台 264025;鲁东大学交通学院,山东烟台 264025;鲁东大学物理与光电工程学院,山东烟台 264025;鲁东大学物理与光电工程学院,山东烟台264025【正文语种】中文【中图分类】O434.14Ashkin[1，2]及其合作者首先利用单束强聚焦的激光实现了对水中电介质微粒的稳定捕获，标志着光镊技术的诞生.光镊是一种探测活体生物单分子纳米量级的运动幅度和pN(皮牛，10-12 N)量级相互作用的仪器，在21世纪的生物学研究领域中已经开发成功并投入使用.光镊技术是利用激光的力学效应，通过高度会聚的激光形成的光强梯度产生梯度力光势阱[3，4]，达到对微米或亚微米量级颗粒进行捕获的作用.光镊捕获微粒的优点有：非接触、无损伤地操纵活体物质，可快速灵敏地捕获微粒，可以应用于生物活细胞的操控[5-8].近20年来，光镊技术的研究和应用已得到了迅速的发展，特别是在生命科学领域，光镊已成为研究单个细胞和生物大分子不可或缺的有效工具[9].光的力学效应虽然已广泛应用在诸多科学研究领域，但在课堂和实验教学方面还十分欠缺.光镊技术的发明不仅推动了光的力学效应的应用，也为光的力学效应的演示和教学提供了条件.大学物理光学课程[10]中涉及一点光镊的内容，但并没有系统的理论描述，只是简单的介绍了光镊的基本概念及应用.同时，国内针对单光束光镊实验中遇到的问题研究鲜有报道，很少有论文提及光镊实验中存在的问题及解决方法.大学物理期刊[11-13]上发表了一些关于光镊的文章，但主要是一些理论模拟研究.其中余娜等[12]进行了光镊的实验研究，提出了低功率(16 mW)激光在20倍的普通物镜聚光下产生的光阱就能对聚苯乙烯颗粒、玻璃微珠和虾卵进行捕获.但我们在实验过程中发现，基于上述条件很难实现对粒子的稳定捕获.因此，本论文给出了光镊技术的基本原理和一种实现稳定捕获和实时观察的光镊实验系统.基于此实验系统，以二氧化硅微球为例，研究了单光束光镊的动态捕获实验.通过理论模拟与实验研究了物镜的数值孔径、激光功率对粒子稳定捕获的影响.本文通过给出光镊技术的基本原理和实验，对理解利用光与物体相互作用的动量传递产生的光的力学效应，以及在大学物理教学中，对理解光的力学效应，理解光的物质性，以及光子具有动量、光压等概念有一定的参考意义.其次，此项研究还有助于将光镊技术纳入物理类实验教学中，对培养具有一定光镊技术的理论及实验应用方面的大学生有一定的指导意义.希望通过本论文能够推动光的力学效应的实验教学，以便适应现代科学发展的需求.1 光镊的基本原理光镊是利用光与物质间的动量传递产生的力学效应[3，14]而形成的三维梯度力光势阱，其捕获过程即为动量守恒原理的体现.光具有能量和动量，若一束光所携带的能量为E和动量为P，则二者满足关系P=e E/c (其中c 是真空中的光速，e为动量方向的单位矢量).当光与物质相互作用时，通常会伴随有动量的交换，而动量的交换就会表现为光与物体之间的相互作用力.如果一束光照射到物体上，其动量变化为ΔP，历经的时间为t.由动量守恒定律可知，物体从光束那里得到的动量为-ΔP.根据牛顿第二律，光作用在物体上的作用力 F = -ΔP /t.针对捕获粒子的尺寸大小不同，有不同的理论用于解释光束对粒子施加的作用力.当粒子的尺寸远远大于光波长时，可利用几何光学模型来分析粒子的受力情况；当粒子的尺寸远远小于光波长时，可用瑞利散射模型来分析.以几何模型为例来简单说明一下粒子的受力情况.如图1(a)所示，一束激光经过高数值孔径物镜聚焦后，射在折射率大于周围物质折射率的透明介质小球，光线在介质球内经过两次折射后，光子动量发生了变化，这种变化反作用于小球，表现为对小球的反作用力(如图1(a)中Fa和Fb所示)，该力的大小与光强梯度成正比，合力的方向指向光强最大处，这个力总是使小球趋向激光焦点，这种由于光强分布不均匀而产生的力称为梯度力.同时，小球还受到散射力的作用，散射力来源于散射过程中光与物质的动量交换，方向沿着光的传播方向，此力总是使小球沿着光束的传播方向运动.当光场梯度足够大时，梯度力的作用大于散射力的作用，合力F指向焦点处，在焦点处形成一个稳定的三维光势阱.此时，粒子将被稳定捕获在光势阱处，如图1(b)所示.相对而言，当散射力大于梯度力时，粒子会被光束沿轴向推走，就无法形成稳定捕获.通过给定的初始条件(入射光的波长、偏振态、粒子折射率、周围液体折射率、物镜数值孔径、激光功率等参数)，可以得出散射力与梯度力的计算公式，总的捕获力为两者之和.其总的光镊力的公式[15]如下：(1)其中，n为微球周围介质的折射率，p为入射激光光束的总功率，c为光速.Q为一个无量纲参数，称为捕获效率，用来表征捕获光束与粒子之间的相互作用力.Q表示入射光束的能量转换为粒子捕获力的效率，所以知道了Q因子，就知道了光镊力的大小.图1 微粒子在单光束梯度力光场中的受力图.2 光学捕获力的数值模拟方法人们在实验中发现，当粒子的尺寸与波长相近时，粒子可以被牢固的捕获，因此，采用此大小的粒子作为探测对象，可提高实验的稳定性.但是，几何模型[16]和瑞利散射模型[17]对粒子的尺寸都有要求，对于尺寸和波长相近的粒子，这两种方法都不适用.在这种情况下，只能利用电磁散射模型[18]，将入射光与粒子的相互作用看作是电磁散射过程，通过求解麦克斯韦方程组来确定散射场分布，然后由动量守恒得到粒子的受力情况.本论文选择的粒子的尺寸大小与波长相近，因此本论文的理论模拟利用电磁散射模型来计算.电磁散射计算有多种求解麦克斯韦方程组的数值方法，比如：有限元法、时域有限差分法、T矩阵法等.而T矩阵法[15]是电磁散射模型中最成功的方法，本文的数值模拟均基于此方法，下面详细介绍T矩阵法.在用T矩阵法计算时，首先利用徳拜积分描述物镜聚焦场的分布，得到入射光场Ei(r)和散射光场Es(r)的球面矢量波函数展开系数[15]：(2)(3)其中，amn和bmn入射光场的扩展系数，emn和fmn散射光场的扩展系数，M1，3，N1，3分别为第一类和第三类球矢量波函数[15]：(4)(5)其中是第一类和第三类球球面汉克尔函数，是归一化常数，Bnm(θ,φ)=rCm(θ,φ)=是矢量球谐函数，是归一的标量球谐函数.由于麦克斯韦方程组具有线性，所以入射场系数和散射场系数之间存在线性关系[15]：(6)(7)其中的系数矩阵就是T矩阵，T 矩阵表征粒子在光阱中各个位置及方向的特性，与入射光无关，它可以用扩展边界条件法求出.因此，得到入射场的展开系数后，散射场可根据T矩阵方法得到.最后，对于已经确定的入射场和散射场，聚焦光束施加于粒子的作用力可由麦克斯韦应力张量的积分获得[19]，即(8)其中，S 表示一个包含粒子的任意闭合曲面.通过对上式的积分求解，就可以得到光场对粒子的捕获力.捕获力的大小同样用式(1)中的Q捕获效率来表示.3 实验系统实验系统主要由两部分构成，一部分是用来产生干净的具有特定相位的单色平行光束，另一部分是自主搭建的一个简易的倒置显微镜系统，实验系统的示意图如图2所示.图2 光镊系统结构示意图首先，激光器(LWGL532，北京镭志威光电)发出的光经过针孔滤波器进行滤波，得到的干净的扩散光束，再经过准直透镜得到平行光束，此平行光束再经过分束棱镜，经反射的光进入倒置的显微物镜(OQ-X60)中，通过显微物镜的紧聚焦的光斑打在样品池中，用来产生光势阱捕获微粒.在载物台上方放置一个LED光源，作为成像照明光源，其出射光经过显微物镜放大后，透过分束棱镜经成像透镜后，成像在CCD (DH-HV3151UC)上，CCD与计算机相连，可实时观察微粒的动态捕获过程.4 实验结果与分析实验中所用的激光器为输出波长为532 nm的固体激光器，其最大输出功率为2 W(功率连续可调)；实验中所用微粒为二氧化硅微球，其直径为2 μm；实验中的聚焦物镜为数值孔径为NA=1.25的100倍放大的物镜一个和数值孔径为NA=0.85的60倍放大的物镜一个；作为照明光源的LED的输出光为红光，其中心波长为630 nm；CCD成像器件的像素大小为3.2 μm；滤光片为反射短波透射长波段的滤光片，主要用来滤除实验中反射绿光对成像的干扰.实验初期研究中发现微球接近聚焦光势阱处时，微球在横向上会被拉向光势阱，但在轴向上粒子会迅速的脱离成像平面.通过进一步研究发现微球在轴向上脱离，是因为激光的聚焦平面与微球的成像平面不重合.这是因为在倒置显微镜光镊系统中，捕获光路和成像光路通过双色镜耦合在一起，共用同一个物镜.一方面，由于CCD 成像用的光波长(630 nm)与聚焦用的光波长(532 nm)不同，会引起一定的色差.另一方面，由于轴向散射力的存在，稳定捕获的平衡点并不在激光焦点处，而是偏移焦点一段距离，因此捕获面与成像面是不重合的.如图3所示，当用来捕获的光束聚焦平面与CCD的成像平面不重合时，CCD上看到的将不是捕获微球的清晰的像，而是微球经过衍射一段距离后的衍射光斑.为了解决捕获粒子成像离焦问题，使捕获微球成像更清晰，我们在实验装置的CCD前增加了一个成像透镜，通过移动此成像透镜来改变CCD的成像平面.当激光的聚焦平面和CCD成像平面重合，达到微球成像清晰的目的.图4所示为聚焦捕获平面和成像平面不重合与重合两种情况下微球的显微成像图.图4(a)所示为焦点平面和成像平面不重合时微球的CCD照片，从图中可以看出为一衍射斑，微球成像不清晰.图4(b)所示为调节成像透镜的前后位置，当焦点平面和成像平面重合时，能够观察到被捕获的微球的清晰图.图3 聚焦平面和成像平面的偏离图4 聚焦平面和成像平面不重合与重合两种情况下微球捕获的成像情况比较(加滤光片).(a) 聚焦平面和成像平面不重合；(b) 聚焦平面和成像平面重合.当聚焦平面与CCD成像平面重合后，可以清晰的观察微球的动态捕获过程.我们首先研究了高数值孔径物镜的捕获情况.图5(a)所示为物镜数值孔径为NA=1.25，激光功率为1 W时，微球被稳定捕获图，从图中我们发现激光的中心(图中绿色点，在不加滤光片时可见)与微球中心不重合，为了解释此现象，我们基于T矩阵算法[15]，数值模拟了横向捕获效率Qr随微球横向位移的变化曲线，如图5(b)所示，发现横向捕获效率关于原点中心对称，表明此时只有捕获力作用微粒时的合力为零，即Qr=0的平衡位置，在理论上微粒稳定捕获的中心与焦点中心重合.但在实际的实验中，微球除了受光镊力外，还受到微球自身的重力、布朗运动以及微球周围液体扰动产生的阻力等.这样一来，除了光与微粒相互作用引起的捕获力之外，还有其它力的作用，因此微球稳定捕获的位置就不与微球中心重合了.而正是基于这种微粒偏移焦点中心位置的现象，可用来测量粒子的捕获力，比如基于流体力学法的拖曳法、外加周期驱动力法.因为粒子在光阱中所受到的捕获力与粒子偏离光阱中心的位移有关.当光阱中的粒子同时受到捕获力和其它外力作用达到平衡时，可以通过测量粒子相对光阱中心的偏移得到捕获力，然后根据粒子受力平衡的条件就可以计算出粒子受到的外力.图5 激光中心与微球中心不重合.(a) 微球被稳定捕获的实验照片；(b) 数值模拟横向捕获力的变化曲线本文还研究了激光功率对微球捕获的影响.用100X(NA=1.25)的高数值孔径物镜继续进行实验，将激光功率从1 W逐渐减小到20 mW时，微球捕获的动态变化情况.当激光功率比较大时，微球可以被稳定捕获.如图6(a)所示，为激光功率1 W时微球的捕获照片，从图中可以看出，除了一个清晰的稳定捕获的粒子外，还有其它微球被同时捕获，如图中清晰微球旁边的衍射图案.当激光的功率减小到一定值时，激光的捕获力随之减少，此时微球将脱离力的捕获.如图6(b)所示为激光功率减小到20 mW时的捕获情况.图中圈出的黑影为微球的衍射光斑，此时微球已脱离光阱的束缚，漂离到其它位置.当激光功率减小到一定程度时，光阱将不能束缚住微球.因此，实验表明入射激光总功率越大，粒子受到的捕获力越大，可以实现粒子的稳定捕获.图6 入射激光功率不断减少时，(a) 1 W稳定捕获；(b) 20 mW微球脱离光阱.保持激光功率为1 W，将物镜改换成60X的低数值孔径物镜(NA=0.85)，再次进行光镊捕获实验，实验时发现此光阱可以捕获微球，但是存在捕获不稳定的情况，微球被吸引到光阱中后很快就被推开，如图7所示.图7 非稳定捕获过程图(未加滤光片).(a) 微球离焦点较远；(b) 微球移动到焦点附近；(c) 微球进入光阱中被捕获；(d) 微球被推离焦点.图7中不在白点圈上的单独白点为不加滤光片时激光的聚焦焦点，表明激光所处的位置.图中较大的黑点为二氧化硅微球.图7(a)中虚线标出了所观察的微球.当微球靠近激光焦点时，微球将被拉向激光光阱处，如图7(b)所示，表明微球逐渐靠近激光焦点.图7(c)表明微球进入光阱中被捕获.因物镜的数值孔径低，产生的梯度力较小，因此不能实现稳定捕获.如图7(d)所示，在散射力、布朗力、水流的阻力等作用下，微球被捕获一段时间后将脱离束缚.因此，实验表明物镜数值孔径越大，捕获效率越高，微球易被束缚于光阱，从而形成稳定捕获，反之，数值孔径小，微球易于逃离光阱.这是因为增加数值孔径NA ，不仅仅会增大会聚角度，更重要的是可以使光束聚焦更强烈，即焦斑半径减小，光场梯度增大，捕获能力增加.基于T矩阵算法，数值模拟了不同数值孔径下，微球受到的轴向捕获效率的变化曲线，如图8所示.图8(a)所示，不同NA取值时，轴向捕获效率(负向)在z轴方向的变化曲线.这里我们定义每条曲线的极值(负向)为最大捕获效率.从图中可以看出，当NA=0.6时，微球受到的梯度力为正值，表明此时的捕获力沿光传播方向，均沿z轴正方向，表现为一推力，此时微球将被推离光阱，无法实现捕获.当NA=0.85时，此时轴向最大捕获效率(负向)约为-0.093 2，但可能不足以克服散射力、布朗力、水流的阻力，因此微球会脱离光阱的束缚，不能稳定的捕获在同一个位置.所以要实现稳定捕获微球，需要大数值孔径的物镜.图8(b)给出了，最大捕获效率(负向)随数值孔径的变化关系曲线.从图中可以看出数值孔径越大，最大捕获效率就越大，越容易克服散射力的影响，形成稳定捕获.可见上述实验及理论分析表明数值孔径对于光学捕获是非常重要的一个参数.图8对于其它参数的变化(比如，粒子尺寸、粒子折射率)对捕获效率的影响，同样可以通过T矩阵法从理论方面研究光镊的捕获特性.但在实验中要准确获得这些参数对捕获力的影响，需要在单纯实现光镊捕获的基础装置上，增加探测模块，比如力值测量和粒子跟踪模块.利用精密的力学测试模块和位置传感探测器，其精度可达fN(飞牛，10-15 N)和pN(皮牛，10-12 N)的级别，可监测捕获到的粒子和陷阱光束轴之间的相对位移.但此实验部分需要昂贵的仪器，因此本论文实验研究只给出了，捕获力随着入射激光总功率和数值孔径变化的直观实验现象.5 结论本文基于光镊的基本原理，自行搭建了一套光镊实验系统.实验和数值模拟的结果表明：物镜数值孔径越大，光镊捕获力越大；激光功率越大，光镊捕获力越大.同时，实验还发现：激光焦平面与微球成像平面不重合时，微球成像模糊，此问题可以通过在CCD前增加一个成像透镜来解决；稳定捕获时，激光的中心和微球的中心不重合，这与数值模拟的结果一致.同时，通过数值模拟给出了合理的解释，并提出了有效的解决方案.此研究有望对国内从事光镊研究的学者以及在生物医学微操控方面有一定的参考意义.希望通过本论文能够对实验教学中光的力学效应有一定的推动作用，以便适应现代科学发展的需求.[1] Ashkin A，Dziedzic J M，Bjorkholm J E，et al.Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles [J].Optics Letters，1986，11(5):288-290.[2] Ashkin A.Acceleration and trapping of particles by radiation pressure [J].Physical Review Letters，1970，24(4): 156-159.[3] 吴智辉，莫华，陈朝旺.光镊技术及其在染色体研究中的应用[J].光学仪器，2010，32(2):23-28.[4] 李勤，胡晓明，冯万力，等.阵列光镊的发展与应用[J].光学技术，2008，34(增刊):286-288.[5] Wu Y，Sun D，Huang W.Mechanical force characterization in manipulating live cells with optical tweezers [J].Journal of Biomechanics，2011，44(4): 741-746.[6] 安莎，彭彤，周兴，等.光学微操纵过程的轴平面显微成像技术[J].物理学报，2017，66(1):1-5.[7] 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光镊的技术原理及应用光镊是一种利用光学力对微小粒子进行操作和操纵的技术设备。

它的技术原理主要基于激光束的光学力和光动力学效应。

通过调控激光束的参数，如光强、波长和光束的横截面形状等，可以对微小粒子产生吸引力或推力，实现对其位置和运动的控制，从而实现对微小粒子的操作。

光镊的技术原理主要包括光学效应、散射效应和吸收效应。

其中光学效应是最基本的原理，它通过光场对粒子施加的力来操纵粒子的运动。

当激光入射到粒子上时，激光光子与粒子之间会发生散射作用或吸收作用。

激光束的光强和波长的选择会影响光学效应的大小和类型。

当光学效应与光学力平衡时，粒子会被束缚在光学力场中，形成光镊效应，这样就可以对粒子进行操作。

光镊技术有着广泛的应用领域。

首先，光镊技术可以用于微生物学研究。

通过光镊技术，可以操纵微生物细胞、病毒等微小生物粒子，进行单个细胞的操作和研究。

例如，可以通过光镊技术捕获和操作单个细胞，研究其生长、分裂和运动等过程。

此外，还可以通过光镊技术将不同种类的微生物分离，实现对微生物的定点操作。

其次，光镊技术在生物医学领域也有很多应用。

例如，可以利用光镊技术对单个细胞进行操作，并对细胞内部进行精细的观察和测量。

这对于了解细胞的功能、结构和代谢等过程具有重要意义。

此外，光镊技术还可以结合显微技术，实现对活体组织和器官进行非侵入性操作和观察。

例如，可以通过光镊技术对活体细胞进行切割、焊接、注射等操作，用于研究和治疗癌细胞、神经退行性疾病等疾病。

再次，光镊技术也可以应用于纳米技术和纳米制造领域。

通过光镊技术，可以操纵和组装纳米颗粒，构建纳米结构和纳米器件。

例如，可以通过控制光镊的位置和力度，操纵纳米颗粒进行排列和组装，构建具有特定功能和性能的纳米结构。

此外，还可以利用光镊技术对纳米材料进行加工和处理，实现对纳米材料的精确控制和调节。

总之，光镊技术通过利用光学力对微小粒子进行操作和操纵，具有广泛的应用前景。

它在微生物学研究、生物医学领域和纳米技术等领域都有重要应用。

集成光镊的原理及应用1. 简介集成光镊是一种利用光学原理实现精确操控微小物体的技术。

它集成了光学器件和微操控系统，能够对微尺度物体进行非接触式、高精度的操控。

本文将介绍集成光镊的工作原理以及在不同领域的应用。

2. 工作原理集成光镊的工作原理基于光学力的作用。

当定向的光束照射到微尺度物体上时，光的动量和光束的光场分布会对物体施加力，从而实现对物体的操控。

2.1 光学力与物体操控在光学力作用下，物体会受到光束的压力。

这种压力可以使物体向光束的中心移动，或者沿着光束的方向旋转。

对于微小物体而言，光学力的作用非常显著，可以实现微米或纳米级别的精确操控。

2.2 光学器件集成光镊采用了多种光学器件来实现对光束的控制和调节。

常见的光学器件包括：•透镜：用于调节光束的聚焦程度和光斑的大小。

•光栅：用于调节光束的相位和方向。

•偏振器：用于调节光束的偏振状态。

通过合理组合和控制这些光学器件，可以实现对光束的精确控制，从而实现对微小物体的操控。

2.3 微操控系统除了光学器件，集成光镊还包括了微操控系统，用于控制光学器件和物体的相对运动。

微操控系统可以控制光学器件的位置、角度和光强等参数，从而实现对光束的精确调节。

通过微操控系统，可以实现对微小物体的平移、旋转、捕获等操作。

3. 应用领域集成光镊在多个领域具有广泛的应用。

下面将介绍几个重要的应用领域。

3.1 生物医学在生物医学领域，集成光镊被用于细胞操作、光学显微成像和微流体控制等方面。

通过集成光镊，可以精确操控细胞的位置和形态，用于研究细胞的功能和相互作用。

此外，集成光镊还可以实现对微流体的控制，如调节液体的流速和混合效果。

3.2 纳米制造在纳米制造领域，集成光镊被用于纳米材料的操控和组装。

通过集成光镊，可以实现对纳米颗粒的精确操控，如将纳米颗粒放置到指定的位置，实现纳米材料的组装和排列。

3.3 光子学在光子学领域，集成光镊被用于光学元件的定位和对齐。

通过集成光镊，可以实现对光纤、光栅等光学元件的精确操控，提高光学器件的性能和稳定性。

激光光镊技术的原理应用及发展激光光镊技术是一种利用激光束对微小颗粒进行操控的技术，其原理基于光与物质的相互作用。

激光光镊技术已经在生物医学、材料科学、纳米技术等领域得到了广泛应用，并且在未来有着广阔的发展前景。

激光光镊技术的原理基于光的力学效应。

当激光束聚焦到一个小区域内时，光束中的光子与物质发生相互作用，使得物质受到一个力的作用。

这个力被称为光力学力，它可以通过调节激光束的强度、频率和偏振等参数来控制。

当激光束聚焦到一个微小颗粒上时，光力学力可以使得颗粒受到一个稳定的力，从而实现对其位置的精确控制。

激光光镊技术的应用领域非常广泛。

在生物医学领域，激光光镊技术可以用于细胞操控、细胞分离、细胞注射等操作。

通过激光光镊技术，可以实现对单个细胞的精确操控，从而进行细胞实验、药物筛选等研究。

在材料科学领域，激光光镊技术可以用于纳米材料的制备和操控。

通过激光光镊技术，可以实现对纳米材料的精确操控，从而制备出具有特定结构和功能的纳米材料。

在纳米技术领域，激光光镊技术可以用于纳米的操控和纳米设备的制造。

通过激光光镊技术，可以实现对纳米的精确操控，从而实现纳米设备的制造和操作。

激光光镊技术的发展前景非常广阔。

随着激光技术的不断进步，激光光镊技术的精度和稳定性将会得到进一步提升。

同时，激光光镊技术的应用领域也将不断拓展，将会在更多领域发挥重要作用。

例如，在生物医学领域，激光光镊技术可以用于癌症治疗、基因编辑等前沿研究。

在材料科学领域，激光光镊技术可以用于纳米材料的合成和改性。

在纳米技术领域，激光光镊技术可以用于纳米的制造和应用。

激光光镊技术是一种利用激光束对微小颗粒进行操控的技术，其原理基于光与物质的相互作用。

激光光镊技术在生物医学、材料科学、纳米技术等领域得到了广泛应用，并且在未来有着广阔的发展前景。

随着激光技术的不断进步，激光光镊技术的精度和稳定性将会得到进一步提升，其应用领域也将不断拓展。

激光光镊技术的原理应用及发展激光光镊技术是一种利用激光束对微小颗粒进行操控的技术，其原理基于光与物质的相互作用。

光的力学效应-系列实验主要内容 (1)一光的力学效应－历史与未来 (2)二光镊技术 (4)三创建光的力学效应教学实验的意义 (14)四光的线性动量实验 (16)五实验小结 (24)六结束语 (24)主要内容光的力学效应？光有力量吗？光子与物体的相互作用光携带有能量和动量（线性动量和角动量）,光与物体相互作用时彼此交换能量和动量.光子能量:υhE=光子动量:λ/hP=光的动量是光的基本属性之一。

光与人类生活的关系非常密切，伴随科学的发展和人类文明的进步，人们对光的认识也越来越深入。

光与物质相互作用—光的效应光的效应:在光的作用下，物体宏观上产生的各种现象光的热学效应:光与物体相互作用时物体的温度发生变化.—常见现象光的力学效应:光与物质间交换动量，使受光照射的物体获得一个力或力矩,物体发生位移,速度和角度的变化. —难以察觉(光电效应,磁光效应,光化学效应, …)本讲光的力学效应主要内容安排:一. 光的力学效应－历史与未来1. 光-动量-光压-力2. 普通光和激光的力学效应3. 激光的力学效应 (微观,界观,宏观)4.光镊--光的力学效应的典型二. 光镊技术1. 原理-单光束梯度力光阱2. 特点和功能3. 应用列举三.创建光的力学效应系列实验的意义1. 线性动量2. 角动量四.光的线性动量实验1. 实验预习和基础2. 实验内容五.结束语一. 光的力学效应－历史与未来光---动量--- 光压---力1616年开普勒---提出光压的概念从光的粒子性观念出发---具有一定动量的光子入射到物体上时无论是被吸收或反射，光子的动量都会发生变化，因而必然会有力作用在物体上，这种作用力我们通常称为光压。

康普顿效应历史上，康普顿效应是光子学说的重要实验依据，也是光子具有动量的直接证明。

典型的例子有X光的康普顿散射。

1923年美国物理学家康普顿在研究X射线光子与自由电子之间的弹性碰撞，解释了实验观察到的各种现象。

在这一弹性碰撞过程中，光子与电子相互作用，不仅要遵循能量守恒定律，而且要遵循动量守恒定律。

激光光镊技术及其应用陈　君传统的机械镊子夹持物体时必须用镊尖接触物体,然后施加一定压力,物体才能被夹住。

而光镊则不同,它是基于光的力学效应使物体受到光束的束缚,然后通过移动光束来迁移或翻转物体。

与机械镊子相比,光镊夹持和操纵物体的方式是温和而非机械接触的,能够无损伤地捕获和操作微小的活细胞及纳米量级的颗粒。

光镊为研究微观世界提供了一种新手段,可以预见,在21世纪,作为纳米科技和生命科学领域得力工具的光镊技术必将具有广阔的应用前景,也必将成为本研究领域不可或缺的技术手段之一。

一、激光光镊的渊源与特点激光光镊技术早期也称为激光捕获技术,它利用聚焦的激光束夹起并操纵细胞、细菌或原子等尺度约在几纳米到几十微米之间的微粒。

早在1969年,光镊技术的发明人贝尔实验室的阿什金(A.Ashkin )就首次实现了激光驱动微米粒子。

此后他又发现微粒会在横向被吸入光束(当微粒的折射率大于周围介质折射率时)。

在研究了这两种现象之后,他又利用相对传播的两束激光实现了双光束光阱。

1970年,他利用多光束激光的三维势阱成功夹起并移动了水溶液中的小玻璃珠,后来这种激光夹持微粒的技术经过不断改进,所能捕获的粒子越来越小。

1985年,阿什金开始采用单光束夹持细菌、病毒等微小生物体,并在1987年利用1064纳米的红外激光成功夹起病毒。

但由于活性体对可视波段激光具有强烈的吸收作用,因此早期实验在对细菌的操作过程中存在活细胞损伤的问题,后来阿什金发现红外光对大多数生物细胞和有机体是相对透明的,所以为了避免损伤活细胞组织,在用于大多数生物研究的光镊装置中以800～950纳米的红外激光配合一定的功率操作。

光镊自诞生以来已在微米尺度量级的粒子操控和粒子间相互作用的研究中发挥了重要作用,成为这一尺度微粒的特有操控研究设备。

由于它是用“无形”的光束来实现非机械接触弹性捕获微粒,因此不会对样品产生机械损伤,又由于光镊的所有机械部件离捕获对象的距离都远大于捕获对象的尺度,是“遥控”操作,因而几乎不干扰粒子的周围环境。

1.1光镊技术简介光镊是以激光的力学效应为基础的一种物理工具，是利用强会聚的光场与微粒相互作用时形成的光学势阱来俘获粒子的【4】。

1969年，A. Ashkin等首次实现了激光驱动微米粒子的实验。

此后他又发现微粒会在横向被吸入光束（微粒的折射率大于周围介质的折射率）。

在对这两种现象研究的基础上，Ashkin提出了利用光压操纵微粒的思想，并用两束相向照射的激光，首次实现了对水溶液中玻璃小球的捕获，建立了第一套利用光压操纵微粒的工具。

1986年，A. Ashkin等人又发现，单独一束强聚焦的激光束就足以形成三维稳定的光学势阱，可以吸引微粒并把它局限在焦点附近，于是第一台光镊装置就诞生了【5，6】。

也因此，光镊的正式名称为“单光束梯度力势阱” （single-beam optical gradient force trap）。

由于使用光镊来捕获操纵样品具有非接触性、无机械损伤等优点，这使得光镊在生物学领域表现出了突出的优势。

这些年来，随着研究的深入和技术的不断完善，光镊在生物学的应用对象由细胞和细胞器逐步扩展到了大分子和单分子等。

目前，光镊常被用来研究生物过程中的细胞和分子的运动过程【7-10】，也常被用来测量生物过程中的一些力学特征【11-14】。

1.2光镊的原理与特点众所周知，光具有能量和动量，但是在实际应用中人们经常利用了光的能量，却很少利用光的动量。

究其原因，这主要是因为在生活中我们接触到的自然光和照明光等的力学效应都很小，无法引起人们可以直接感受到或观察到的宏观效应。

而科学家们利用激光所具有的高亮度和优良的方向性，使得光的力学效应在显微镜下显现了出来，在这里我们要介绍的光镊技术正是以这种光的力学效应为基础发展起来的。

1.2.1光压与单光束梯度力光阱光与物质相互作用的过程中既有能量的传递，也有动量的传递，动量的传递常常表现为压力，简称光压。

1987年，麦克斯韦根据电磁波理论论证了光压的存在，并推导出了光压力的计算公式。

有关于光镊原理的生活应用1. 什么是光镊光镊是指利用光束的力对微小粒子进行捕捉、操作或测量的一种技术。

光镊利用光束与物质之间的相互作用力，通过调节光束的强度、聚焦度和波长等参数，实现对微观颗粒的精确操控。

2. 光镊原理光镊的原理基于光的性质和物质的微观结构。

当光束照射到物质上时，光的能量会被物质吸收，从而产生反作用力。

光镊利用这种反作用力，通过调节光束的参数，使其对微小粒子产生的力达到捕捉或操作的目的。

3. 光镊的生活应用3.1 生物学研究光镊在生物学研究中具有广泛的应用。

通过调节光束的参数，可以将光镊应用于单细胞分析、细胞捕捉和操控、细胞成像等领域。

光镊可以对微小的细胞结构进行精确定位，实现对细胞的非侵入式操作和观察。

3.2 纳米技术研究在纳米技术研究中，光镊也发挥着重要的作用。

通过控制光束的参数，可以实现对纳米粒子的精确定位和操控。

光镊在纳米材料的合成、纳米流体的输送和纳米器件的组装等方面具有潜在的应用价值。

3.3 光学通信光镊在光学通信领域的应用也日趋重要。

光镊可以实现对光纤中的光信号进行控制和调整，提高光信号的传输质量和速率。

光镊在光纤网络的建设和光纤通信设备的优化中有着重要的作用。

3.4 医疗器械光镊在医疗器械领域的应用也逐渐增多。

光镊可以用于人体内部的微创手术，通过控制光束在人体组织中的聚焦和操控，实现对病变组织的准确治疗。

光镊具有非侵入性、高精度和自动化等优势，对提高手术安全性和治疗效果具有重要意义。

3.5 材料科学研究在材料科学研究中，光镊也发挥着关键的作用。

光镊可以对材料的微观结构进行精确分析和操作，帮助科学家研究材料的性质和改善材料的性能。

光镊在材料制备、材料测试和材料表征等方面具有广泛的应用和发展前景。

4. 总结光镊作为一种利用光束对微观颗粒进行捕捉、操作或测量的技术，在生物学研究、纳米技术研究、光学通信、医疗器械和材料科学研究等领域具有广泛的应用。

光镊的原理基于光的性质和物质的微观结构，通过调节光束的参数实现对微小粒子的精确操控。

光镊原理及其应用摘要：激光的发明使得光的力学效应走向了实际应用。

本文介绍了光镊技术的基本原理及其在生物科学方面的一些应用。

关键词：光镊；光的力学效应；生物科学；应用1 引言光镊是A. Ashkin[1]在关于光与微粒子相互作用实验的基础上于1986年发明的。

光镊在问世之初被看作是微小宏观粒子的操控手段，并渐渐成了光的力学效应的研究和应用最活跃的领域之一。

近20年来光镊技术的研究和应用得到了迅速的发展，特别是在生命科学领域，光镊已成为研究单个细胞和生物大分子行为不可或缺的有效工具。

2 基本原理光镊的基本原理在于光与物质微粒之间的动量传递的力学效应。

对于直径大于波长的米氏散射粒子来说，光镊的势阱原理可以用几何光学来解释[1~3]。

如图1（a）所示。

入射光线A将光子的动量以辐射压的形式作用于粒子小球，力的作用方向与光线入射方向相同。

A经过若干反射、折射后，以光线A’出射。

入射光线的辐射压减去出射光线的辐射压为粒子小球所受的净剩力F A。

图1（b）为作用力简图，实际力的作用过程较此复杂，A’应为所有（包括反射光透射光）出射光线辐射压的合力，但结果与此相似，小球受轴向指向焦点的力。

对于直径小于激光波长的瑞利散射颗粒，适用于波动光学理论[1]和电磁模型。

波动光学理论（也是光镊的基本理论）认为，在光轴方向有一对作用力：与入射光同向正比于光强的散射力和与光强梯度同向正比与强度梯度的梯度力。

在折射率为n m的介质中，折射率为n p 的瑞利粒子所受的背离焦点的散射力为[1]F scat =n m P scat/ c （1）这里P scat为被散射的光功率。

或用光强I0和有效折射率m = n p / n m表示为（2）对于极化率为α的球形瑞利粒子所受的指向焦点的梯度力为（3）这样，在焦点处形成势阱的标准为指向焦点的梯度力与背离焦点的散射力之比大于1，即两者的合力指向焦点，即有（4）若粒子小球在横向（垂直于光轴方向）偏离中心位置，也会受到一个指向光束中心的作用力使小球锁在焦点处。

实验三激光陷阱(光镊)一、实验目的：了解基模(TEM 00)高斯光束的力学效应,了解激光陷阱的基本原理,了解形成激光陷阱的实验方法,计算陷阱光斑的大小和指向中心力的大小。

二、实验原理：激光陷阱的形成是利用基模(TEM 00)高斯光束力学效应的原理。

一旦微小的粒子（如生物细胞或固体微粒）落入阱中将会被束缚而难逃脱。

高斯光束在与光轴垂直的横截面上的光强分布为高斯函数。

光束中心光强最大，远离光束中心，光强将迅速减弱。

当位于光轴附近的微小粒子与高斯光束相互作用时，就受到由于光强梯度分布而产生的力的作用。

当透明粒子的折射率大于周围介质的折射率时，这个梯度力指向光轴，于是便形成一个以光轴为中心的二维光学势阱，粒子将被束缚在光轴上。

由于在光轴方向仍然存在轴向推力，故二维势阱不能完全把粒子束缚在一个点上，粒子在轴向力的作用下将沿着光轴传播的方向运动。

在实验上采用强聚焦的高斯光束，使得束腰半径w 0足够小，在光轴方向也形成一个光强梯度分布，即产生一个指向焦点（束腰w 0）处的强度梯度力。

这个力可以抵消粒子所受到的轴向推力，从而在激光焦点附近产生一个稳定的力学平衡点，最终形成一个三维的光学势阱。

利用这个激光势阱就能够俘获单个生物活体等微小（宏观）粒子。

当粒子被束缚在光阱中时，操纵载物台，可对粒子进行相对移动。

因此，这种具有特殊功能的光学势阱又被称为激光陷阱、激光光钳或光学镊子。

激光陷阱有许多潜在的用途，尤其可实现对单个活细胞、亚细胞结构进行动态观察，为细胞生物学提供一种新的有效研究手段。

当粒子在垂直于光轴方向上，例如y 方向上，偏离光轴时,粒子则受到指向光轴的力F （y ）。

F （y ）与折射率n 有关，n 越大则F （y ）越大，且在n >1.2时对粒子的束缚是稳固的。

粒子在y 方向上的受力要比光轴方向大10倍以上。

根据实验结果，粒子在偏离光轴0.02ρ(ρ为粒子的半径)时,指向光轴中心的力达到最大值F max (y)。

光镊技术的基本原理
光镊技术，是一种利用激光束在微观尺度上操纵和捕捉微小物体的技术。

它基于光的电磁力和光的角动量，其基本原理如下：
光的电磁力：当光束与物体相互作用时，会在物体上产生散射力和吸收力。

这些力是由于光子与物体之间的相互作用而产生的。

当物体与激光束有相应的光学特性匹配时，散射与吸收力会使物体朝着光束的方向移动。

光的角动量：激光束携带着角动量，可以通过激光束的自旋、轨道和总角动量来描述。

当激光束穿过粒子时，它转移一部分角动量给粒子，导致粒子自旋或轨道发生变化。

这种角动量转移可以产生力矩，从而使物体受到扭转或旋转的作用。

基于上述原理，光镊技术使用激光束来操纵微观颗粒。

具体步骤如下：
选择适当的光源：通常使用激光器作为光源，激光束应具有适当的波长、功率和光学特性。

聚焦光束：使用透镜或其他光学元件来将光束聚焦到微观尺度。

通过调整聚焦系统，可以改变光线的强度和焦点位置。

捕获微观颗粒：将待捕获的微观颗粒放置在悬浮液中或固体表面上，通过移动聚焦光束，使其与颗粒相互作用。

当
光束与颗粒之间存在适当的光学相互作用时，颗粒会受到光学力的束缚，被拉近光束的焦点区域。

移动和操纵颗粒：通过调整光束的位置和聚焦，可以操纵和移动捕获的微观颗粒。

通过改变激光束的强度、位置和聚焦点，可以使颗粒在三维空间中做精确的平移、转动和操纵运动。