光镊的原理和应用

《光镊原理及应用》课程教学大纲

一、课程基本信息

课程中文名称：光镊原理及应用

课程英文名称：Optical tweezers theory and application

开课学期：2

学时：16

学分：1

二、课程目的和任务

激光生物学是多学科交叉的新兴学科，其中以激光微束光阱效应为基础

的光镊技术是生命科学和生物工程研究的有力工具，已成为当前生物物

理学中新方法和新仪器的研究热点之一。是光子技术和生命科学相互交

叉与渗透而形成的一门新的边缘学科，课程教学目标：让光镊在生命学

科及其他应用领域中的作用与地位，逐步树立科学的世界观，促进综合

素质的提高；帮助学生获得光镊的基本知识，掌握光镊相关技术。通过

课程小论文与研讨，让学生了解本学科的发展前沿，培养学生的创造型

思维；开放式的教学，提高学生的综合分析和解决问题的能力。

三、教学内容与基本要求

教学主要内容及对学生的要求：

教学主要内容

第一章 光镊技术的产生与发展

光镊技术的理论研究、光镊技术的应用研究 国内外光镊技术的研究

现状

第二章 光镊技术及其基本原理

光镊技术的描述、光镊的基本原理、光辐射压力、 梯度力和散射力、

二维光学势阱、基于激光微束的三维光学势阱

第三章 光镊的理论分析与计算方法

光镊理论计算的意义、粒子分类与计算方法、光阱力与光操纵束缚条件

第四章 光镊的系统构成与技术性能传统光镊的原理、系统构成、激光器和显微镜的选取、多光镊技术

第五章 光纤光镊技术

远场光纤光镊、近场光镊

第5章 光镊技术的发展应用

光镊技术在生物学方面应用、光镊在分子生物学领域的应用、光镊与其

它技术的结合应用

对学生的要求：

1、 对光镊原理方法有明确认识。

2、 对光镊系统的性能、参数能深入了解，并能自由运用。

3、 能够了解光阱力的计算方法。

4、 有查阅外文资料的能力。

五、教学设计及方法

教学方式

1) 教学与科研结合，激发学生的求知欲

2)专家讲授与教师专题讲座相结合，拓展学生知识面

3)理论与实践结合，加强学生实验技能的训练

光镊实验

姓名：xxx 班级：21级xxxxxx实验班 学号：xxxxxxxxxx

一、实验目的：

（1）了解光的力学效应；

（2）了解共焦实验光路的原理和搭建要求；

（3）掌握微颗粒的光学捕获技巧，准备含2μｍ或５μｍ的 SiO2 微粒的微纳样品腔，并通过显微镜及显示器成像，观测其中SiO2微粒的布朗运动。

（4）掌握光镊力的计算。

二、实验原理：

1.光镊基础原理：

（1）光具有波粒二象性，因此其既具有能量也具有（内禀）角动量与线动量，以此其可以与粒子碰撞，发生散射，由此通过光束可以对粒子进行力的相互作用，这也是光镊的基础之一。

（2）光阱力的构成：

梯度力：来自介质当中，具有电偶极矩的小球在非均匀电磁场当中由于电磁场两点间存在梯度差，因此粒子会受到梯度力作用，这将使粒子朝向光功率密度最大，即场强最大的点运动。

散射力：光在与介质中的粒子发生散射时，粒子与光子碰撞获得动量，这会产生冲量具有力的相互作用使粒子朝向光传播的方向运动。

图1.几何光学机制下光阱力的受力分析原理图（微粒远大于波长）

几何光学机制：对于直径远大于激光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理论来解释，如图1.所示，（a）中微粒使得光发生散射，同时反冲力使微粒向焦点运动，其他两个同理，由此可以通过控制光束焦点位置来控制微粒的前后左右移动以实现对粒子的操控。若颗粒在横向方向（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，使微粒趋向激光光束焦点处。该作用力与光阱效率、激光功率成正比。

如图2.所示，当一束强高斯激光汇聚到一个透明微粒处，若周围介质的折射率效应微粒的折射率，微粒都会被激光束所产生的梯度力推向具有最强光场强度，即焦点处；同时微粒与光相互作用时，微粒还会受到散射力的作用，当散射力与梯度力平衡时，微粒即可被稳定捕获。

图2.单光阱光镊原理图

2．光镊系统的组成

光镊实验系统通常由激光光源、激光扩束滤波光路、光镊移动控制环节、位移检测部分和传统的光学显微镜等组成。系统大致结构如图3.所示：

真空光镊技术

真空光镊技术是一种利用激光束和真空环境将微米级或纳米级物体精确抓取和操控的先进技术。它在微电子、生物医学、光学器件等领域具有广泛的应用前景。本文将从真空光镊技术的原理、优势和应用等方面进行阐述。

我们需要了解真空光镊技术的原理。真空光镊技术主要通过激光束对微米级或纳米级物体施加辐射压力，将物体固定在光束焦点处。由于真空环境中没有气体阻力和热传导，可以实现对微小物体的非接触式抓取和操控。激光光束的功率和焦点位置可以精确控制，从而实现对微小物体的精准操作。

真空光镊技术相比传统的光镊技术具有许多优势。首先，真空环境中减少了气体分子与物体的碰撞，减小了气体阻力对物体的影响，使得抓取过程更加稳定和可靠。其次，真空环境中没有气体的热传导，可以避免热对微小物体的损伤，保持物体的完整性。此外，真空光镊技术操作灵活，可以实现对微小物体的三维精确操控，具有很大的应用潜力。

真空光镊技术在许多领域都有重要的应用价值。在微电子领域，真空光镊技术可以用于芯片组装、微电子器件的操控和测试等工作。在生物医学领域，真空光镊技术可以用于细胞操作、单细胞分离和研究等。在光学器件领域，真空光镊技术可以用于光纤组装、光学器件的调试和测试等。此外，真空光镊技术还可以应用于纳米加工、纳米材料的制备和研究等方面。

随着科技的不断进步，真空光镊技术也在不断发展和完善。目前，研究人员正在探索将真空光镊技术与其他技术相结合，以进一步提高其抓取和操控的精确性和效率。例如，结合扫描电子显微镜技术可以实现对微小物体的实时观察和控制。此外，还有研究人员尝试将真空光镊技术应用于纳米机器人的制造和操作，以实现更复杂的微纳米尺度操控。

真空光镊技术作为一种先进的微纳米操控技术，在微电子、生物医学、光学器件等领域具有广泛的应用前景。其原理简单、操作灵活，可以实现对微小物体的精确抓取和操控。随着科技的不断进步，真空光镊技术还将不断完善和发展，为微纳米尺度操控领域带来更多的创新和突破。

内燃机与配件

0引言1669年，牛顿提出光的“微粒说”，他认为光是从光源

发出的一种光微粒流，具有直线传播的特性，这是人类对

光的粒子性的最早认知。1905年，基于普朗克的量子假

说，爱因斯坦在一种全新的物理意义上提出了光子学说以

及光的波粒二象性，合理地解释了光与物质相互作用的一

些现象。20世纪60年代，激光的问世为人们研究光与物

质的相互作用提供了一种崭新的光源，为光镊的诞生埋下

伏笔。1970年，A.Ashkin利用两束相向传播的聚焦光束成

功地束缚住了在水中的电介质微粒。1986年，A.Ashkin只

利用了一束聚焦良好的激光就实现了对水中电介质微粒

的稳定捕获，这标志这光镊的诞生。

光子具有一定的能量和动量，而光镊充分体现了光的

这一特性。光镊是用高度会聚的激光束形成的三维势阱来

俘获，操纵和控制微小颗粒的一项技术。从1986年到今

天，光镊技术不断发展升级，不仅促进了多种学科的发展，

而且在生物学，物理学等领域发挥着越来越多不可替代的

作用。本文将介绍光镊的基本原理，装置构造，以及分类；

讨论光镊应用的优势与不足，并做出相应的前景展望与改

进；回顾近些年来光镊在技术和应用层面的新发展；最后

将分析光镊未来的发展趋势。1光镊简介

1.1基本原理

光镊是由强会聚的激光束形成的光学势阱，研究微粒

在光阱中受到的光阱力的理论模型有几何光学（RO）近似

模型和电磁（EM）模型。RO模型理论适用于几何尺寸远大

于波长的微粒，EM模型适用与尺寸小于波长的微粒。

图1左院光镊原理示意图袁右院

小球在光镊中的受力示意图

光是一种电磁波，其内部震荡的电场会使照射物内形

成电流。电流在光的磁场中形成安培力，称之为光压（或光

的辐射力）。如图1所示，光的辐射力根据其效果可以分为两种：一种是推动目标沿光的传播方向的散射力

（ScatteringForce），另一种是往光强密度高拉动目标的梯

度力（GradientForce）。

如图1所示，用TEM00的激光照射一个小球，距离光