《光镊原理及应用》课程教学大纲
光镊原理教学提纲
精品文档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。
光镊的技术原理及应用
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。
-7.光镊原理与应用
提纲
1.光辐射压力 2.光镊原理 3.多种形式的光镊系统 4.光镊的应用
多种形式的光镊系统
传统光镊 多光镊系统 光纤光镊 近场光镊
3.多种形式的光镊系统
1.传统光镊
3.多种形式的光镊系统
Camera Filter Dichroic mirror Beam block Microscope
3.多种形式的光镊系统
Arthur Ashkin
A. Ashkin, J.M. Dziedzic, J.E. Bjorkholm and S. Chu. 1986. "Observation of a Single-Beam Gradient Force Optical Trap for Dielectric Particles." Opt. Lett. 11 (5) 288-290.
Fx =
1 ⎡ 1 ∫ ⎢− 2 μμ 0 H y 2S⎣
(
2
+ ε 0ε 1 E z
2
− ε 0ε 1 E x
2
)dz + ε ε Re(E E )dx⎤⎥⎦
0 1 x * z
2.光镊原理
2.3光阱力与光操纵束缚条件
光镊要在三维方向上稳定俘获住粒子首要的基本条件 就是光强的分布需要有大的光强梯度。高度聚焦的激 光束形成的激光微束就具有大的强度梯度，这样才能 产生足够的梯度力来捕获住微粒。 粒子的折射率 n2大于周围介质的折射率 n1的，这是 激光微束捕获粒子的基本条件之一 在满足上述的基本条件后，微粒能否被稳定地捕获住 还涉及物理与生物粒子方面的性质。如激光微束的光 波长、功率、束腰半径、生物微粒的大小、 球半径, 极化状态光汇聚角、吸收系数和粒子与周围介质的相 对折射率，以及球心与光轴的距离和球心与束腰的距 离等等。
光镊技术的原理及应用
图4 光镊
(b)
测量微粒
布朗运动
的瞬时速
度。(a)实
验装置原
理 图 ;(b)
微的布朗
运动瞬时
速度分布
曲线
1907年，爱因斯坦认为能量均分定理适用于布朗微粒，但是因为单个微粒的瞬时速
度变化太快，所以这个预言难以从实验上直接证明。
2010年，Tongcang Li等人利用两束正交偏振相向传播的光束形成的光阱小球悬浮在
利用光镊捕获微粒，使两微粒在显微镜焦平面附近发生碰撞并直接进行观察。 通过大量的碰撞后两个微粒结合与分散，可得到相互作用的直接信息。
•纳米技术领域
在纳米技术领域，由于光镊能对微米级和纳米级的器件进行非接触 式操纵，因而被用于纳米压印、纳米组装和微纳加工。
图7 纳米组装。a）用光镊将沉在样品池底部的纳米线镊起；b）用光镊将 GaN纳米线和SnO2纳米带镊起，并放置到正确位置，然后用光学激光将二 者熔合。 （Pauzauski等人，纳米器件、电路）
图11 光镊测量细胞膜弹性。(a)光镊拉伸细胞的示意图;(b)用药后细胞膜的变 化量;(c)没有加药细胞膜的变化
图12 光镊技术操控活体动物内的红细胞。 (a)光镊操控小白鼠耳朵毛细血管 中的红细胞示意图;(b)光镊诱导红细胞疏通血管恢复正常血液流动
•分子生物学领域
图13 用光镊操纵单分子体系的模式。（a）单分子的一端粘在光阱中的微球上， 另一端粘在盖玻片上；（b）单分子的一端粘在光阱中的微球上，另一端粘在 吸附在玻璃微针上的微球上；（c）单分子的两端分别粘在两个光阱（双光阱） 中的微球上。
光镊技术的原理及应用
2017年3月22日
光镊技术的定义 原理 实验装置 操纵特点 应用
定义
光的力学效应-光镊原理及应用--《大学物理》系列讲座
1985年，朱棣文用两种不同的方法(二维光学势阱和磁光量 子阱)实现原子冷却，温度冷却到2.4×10-4 开尔文(K)。
1986年光镊的出现，才真正实现原子的三维捕获（10-4K）
这项研究促进了玻色－爱因斯 坦凝聚的研究---2001年 诺贝 尔物理学奖——C.E.维曼， E.A.康奈尔，W.克特勒因发现 了“碱金属原子稀薄气体的玻 色-爱因斯坦凝聚”这一新的物 质状态,原子冷却达到了绝对零 度高0.5纳开尔文nK的温度。
反卫星激光武器是一种远程战略激光武器
激光与微小的宏观粒子(介观粒子)相互作用 光 镊 ——单光束梯度力光阱
1986 A. Ashkin 使用高度会聚激光束产生了 非均匀光场，造成r Ashkin在贝尔实验室中
光镊是什么？
光镊 -- Optical tweezers
达因：质量为1克的物体产生1厘米/秒2的加速度 所需要的力0.00001牛顿）
1达因/平方米是标准大气压的亿万分之一 。
1960年激光问世
-----高的光子流密度的激光束
第一台红宝石激光器组件
激光的特点：方向性好，高亮度
例如：10mw的 He-Ne 激光，亮度是太阳的一万倍！
对于一台光强呈高斯型分布，功率为10mw的氦氖激光器发射的激 光束，若光束发散角为2´，把激光聚焦到光学衍射极限光斑(约10-8 cm)，其单位面积的光功率密度将是太阳光的108倍，把一个1微米量 级的电介质小球置于此氦氖激光聚焦点处，小球将会受到106达因的 辐射压力，从而产生105g的加速度 (g为重力加速度)。
P N Lebedev was the first (1901) to measure the pressure of light, confirming predictions based on Maxwell’s equations. He was also the first to show that this pressure is twice as great for reflecting surfaces as for absorbing surfaces. (列别捷夫1901 年基于麦克斯韦方程组首次测量光压力，该压力 一部分从物体表面反射，一部分被物体表面吸收)
光学镊子(optical tweezers)
光學鑷子(optical tweezers)清華大學物理系近代物理實驗室初稿2003/10/31一、 目的使用雷射光捕捉微米粒子。
二、 原理粒子被拉向焦點來自物鏡的光 粒子受到向上的力 粒子受到向下的力 粒子受到向左的力 =粒子中心 =光焦點 F三、儀器二極體雷射(658nm,23mW)，修改過的鹵素桌燈20W，平凸透鏡，三軸式移動平台，100倍油物鏡(NA=1.25)，高黏滯性物鏡油，網路攝影機。
實驗裝置如圖一所示。
四、裝置實驗裝置如圖一所示。
本實驗裝置分成兩部分:光學顯微鏡系統和雷射光源系統。
實驗者可透過光學顯微鏡(先架設)，看到微米粒子的運動情況。
用來捕捉微米粒子的雷射光束由雷射光源系統產生。
架設實驗裝置時，保持光束(雷射和顯微鏡)在同一平面，可簡化稍後光束的校直(aligment)工作。
利用名片卡將全部的光學元件調整到接近參考高度，但與雷射光路徑成90度垂直的顯微鏡光路徑較難調整。
1.光學顯微鏡系統顯微鏡光源是修改過的20W鹵素桌燈，並使用兩片平凸透鏡將光聚在樣本上。
樣本是垂直的固定在三軸式移動平台，用於側向移動樣本與聚焦。
我們選擇100倍顯微物鏡，因為物境的透鏡與樣品均鉛垂放置，所以須使用高黏滯性物鏡油。
微米粒子將在距物鏡背面約160mm的位置成像，直接將影像投射到網路攝影機(Web camera)的CMOS探針上(須先將攝影機前端的透鏡移除) ，最後再將數位影像訊號傳至電腦。
2.雷射光源系統從二極體雷射出來的雷射光先後經過平面鏡與雙色面鏡(dichroicmirror) ; 需使用兩面鏡子調整雷射光束，使光束與顯微鏡光軸(物鏡光軸)重合。
雙色面鏡的主要特性是將雷射光反射至物鏡內，同時讓影像光束通過。
在兩面鏡間放入一個凸透鏡，使光束聚焦於物鏡背面160mm處，是為了得到強度分布較尖銳的雷射光束。
五、步驟1.先利用雷射光束進行粗調，將兩面平面鏡與鹵素燈座調整至適當位置(雷射光束經兩面平面鏡反射後仍在同一高度)。
光镊的技术原理及应用
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。
光镊的原理和应用
光镊的原理和应用1. 引言光镊是一种利用光的特性实现微小物体操控的技术。
它在生物医学、纳米材料学和微机电系统等领域有着广泛的应用。
本文将介绍光镊的原理和应用，并说明其在不同领域中的重要性。
2. 光镊的原理光镊的原理基于光与物质的相互作用以及光场的调控。
通过合理设计光场分布，可以产生光势阱或光力场，从而实现对微小物体的操控。
2.1 光强梯度力当物体遇到光强梯度时，会受到光强梯度力的作用。
此力使物体沿着光束方向移动，类似于光的推动力。
通过调整光场的分布，可以形成光强梯度力，从而实现对微小物体的移动。
2.2 光兽手术光兽手术是利用光镊进行微创手术的一种技术。
通过调控光场，可以使光束在物体中产生高能量焦点，实现对微生物的精确灭活或组织切割。
此技术在眼科手术、癌症治疗等领域有着重要的应用。
3. 光镊的应用光镊在多个领域中有着广泛的应用。
下面将介绍光镊在生物医学、纳米材料学和微机电系统等领域的具体应用场景。
3.1 生物医学领域•单细胞操作：通过光镊可以对单个细胞进行操控，实现细胞的分离、聚合和操作。
这在细胞实验、组织工程和基因研究中具有重要意义。
•药物递送：光镊可以用于精确控制药物的递送。
通过光场调控，可以实现药物的定点释放，提高治疗效果并减少副作用。
•组织修复：光镊在组织修复和再生领域有着重要的应用。
通过光镊可以激活和引导干细胞的分化，促进组织的修复和再生。
3.2 纳米材料学领域•纳米粒子操控：光镊可以用于操控纳米粒子的位置和运动。
通过调控光场，可以实现对纳米粒子的定点聚集和操纵，有助于纳米材料的组装和制备。
•纳米光刻：光镊在纳米制造中的应用也非常重要。
通过调控光场，可以实现纳米尺度的加工和剖析，为纳米器件的制造提供了有效的手段。
3.3 微机电系统领域•微机械操控：光镊可以用于微机械系统中的微小物体操控。
通过调控光场，可以实现对微小机械结构的精确操控和定位，有助于微型传感器和微机械器件的研究和应用。
•光学传感：利用光镊可以实现高灵敏度和高分辨率的微小物体测量。
基于光镊技术的细胞操作及其应用
基于光镊技术的细胞操作及其应用光镊技术是一种利用激光束束焦点对物体进行操作的技术，它可以在亚微米尺度上操作物体，因此在生命科学领域得到了广泛的应用。
其中，基于光镊技术的细胞操作是一种非常重要的应用，可以帮助科学家们更深入地研究生命体系的各个方面。
一、光镊技术的基本原理光镊技术的基本原理是利用激光束的聚焦效应，将激光束在一个非常小的区域内集中，形成光学镊。
通过控制激光束的强度和位置，可以在这个区域内对物体进行吸附、推动、切割、粘连等各种操作。
二、基于光镊技术的细胞操作在生命科学领域，细胞是一个非常重要的研究对象。
而基于光镊技术的细胞操作可以为研究者们提供一个非常好的手段，使他们能够对细胞内部结构和活动进行更加精细的控制和观察。
1. 细胞位置精确定位利用光镊技术，可以对细胞进行非常精确的定位和移动。
科学家们可以利用激光束将细胞吸附到设置的位置上，或者将细胞推动到指定的位置，进而研究细胞的形态变化和结构。
2. 细胞内部结构操作利用光镊技术，可以对细胞内部的结构进行操作。
例如，可以将某些细胞器或分子从细胞内部移动到指定的位置上，或者将某些细胞器或分子从细胞内部移除，进而了解其在细胞活动中的作用。
3. 细胞活动控制通过光镊技术，可以对细胞的活动进行控制。
例如可以利用激光束激励细胞内部某些分子的活动，或者抑制某些分子的活动，从而研究细胞活动中的机制和过程。
三、基于光镊技术的细胞操作的应用基于光镊技术的细胞操作已经被应用在许多领域，包括细胞生物学、生物医学、生物化学等。
其主要应用包括：1. 细胞研究基于光镊技术的细胞操作可以帮助科学家们更深入地研究细胞的结构和功能，如细胞内部运作机制，细胞间相互作用机制等。
2. 细胞治疗通过使用光镊技术，可以对细胞进行某种形式的治疗。
例如，利用激光束对细胞进行定位或移动，可以帮助细胞在某些治疗中达到最佳状态。
3. 内窥镜手术利用内窥镜手术可以帮助医生们更加精准地进行手术操作，减小手术创伤。
2光镊技术的基本原理
—研究微观世界的新手段
哈尔滨工程大学理学院 刘志海 副教授
2.光镊原理
2.1光阱力的构成 • 梯度力：来自介质小球中的电偶极矩在不均匀电 磁场中受到的力。它正比与光强的梯度，指向光 场强度的最大处。它的作用效果使得粒子朝向光 功率密度最大的点运动。 • 散射力：来自光在散射过程中与光子交换动量而 获得，被散射的光子动量改变来自于介质对光子 的作用力。它的方向沿着光的传播方向，作用效 果使粒子沿着光束的传播方向运动
3.多种形式的光镊系统
3.多种形式的光镊系统
/ wi2
w
2 i
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k Z Re
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( z z 0 )e sin( ) wr6
2 r 2
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2.光镊原理
C.第三类粒子（ R ~
的粒子
）
在实验中，由于尺度与波长相近的粒子易被很牢固地捕捉 所以我们经常用这样的粒子作为探测对象，去研究我们感 兴趣的微观现象。但很不幸，在此尺度内，我们缺少与之 相配的理论，这就给我们带来了数值计算上的困难。 近年来理论发展的方向是，将光阱中光的散射过程视为电 磁散射问题，则通过求解麦克斯韦方程就可以求解光的散 射场。 在电磁场计算领域，求解麦克斯韦方程有多种数值方法： 有限元法（Finite Element Method ) ，有限微分时域算法 (FDTD)，离散偶极子近似算法(Discrete Dipole Approximation)，T矩阵算法（T-matrix method）等等。
• 第一种方法的理论基础很隐晦，作者直接给出了力的表达 式而没有详细说明物理依据和由来[1]。大体上，他认为介 质球所受力等于一个波印亭矢量的变化，而这个变化为施 行FDTD方法时，确定好一个固定的时间步数，先仿真不 存在介质球时波印亭矢量的空间分布情况；当在仿真区域 内放入一介质球时，波印亭矢量的空间分布将发生变化， 而这一变化的大小，作者认为，等同于（或至少正比于） 介质球所受的光作用力。取一合适区域，将这一区域内两 种情况下的场值累加，再用后者减去前者，即可得所受总 作用力：
新型光镊及光镊应用ppt课件
非衍射光束还包括马提厄光束、
抛物线光束、艾里光束等。
8
新型光镊光场
抛物线光束和艾里光束也 是一种自加速光束。自加速 光束在沿轴向传播过程中以 某个角度弯曲而不沿直线传 播，看起来像是在自由空间 中加速。这种光束在光操控 中可以用于沿着设定的轨迹 输运微粒，如图所示。自加 速光束还有韦伯光束(Weber beam)和螺旋光束(spiral beams)等
从上至下分别为：傅里叶平面光场的振幅分布、 物镜焦平面光场分布和被捕获的粒子在光阱中 运动的示意图
12
光镊与细胞生物学
光镊发明初期，Ashkin等[首次用这个新的工具尝试操 纵 细胞和病毒等各种生物样品，并且成功地演绎了光镊捕捉、 拖动、损伤细胞和深入到细胞内部操控细胞的功能。Ashkin 预言“将细胞器从它们正常位置移去的能力，打开了精细研究 细胞功能的大门”。Liang等联合光镊和光刀对细胞和细胞器 进行手术，感慨细胞工具箱里又多了一把镊子，用起来更方便 了。
光镊与单分子生物学
对于直径大于波长的米氏 散射粒子，可采用几何光学的 方法来解释光势阱的形成，如 图。
4
光镊的基本原理
对于直径小于波长的瑞利 散射粒子对于直径小于激光 波长的瑞利散射颗粒, 适用 于波动光学理论和电磁模型。 波动光学理论认为, 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于强 度梯度的梯度力。梯度力与 散射力的比值大于1，这样 合力就指向焦点处，能够实 现对微粒的捕捉
14
操控动物活体内红细胞
光镊技术操控活体动物内的红细胞。(a) 光镊操控小白鼠耳朵毛细血管中的红细胞示意图; (b) 光镊诱导红细胞疏通血管恢复正常血液流动
该实验将光镊深入到小白鼠耳朵的毛细血管内操控单个或多个红细胞， 利用光阱力聚集多个红细胞堵塞血管，或者用光镊牵引红细胞疏通被阻塞的 毛细血管, 开拓了光镊技术研究活体动物新领域。通过这种非接触式的微创 手术进行的实验取证，为活体研究和临床诊断提供了一种全新的技术。 15
光镊ppt课件
组织的潜在影响，为光镊在生物医学领域的安全应用提供理论依据。
03
光镊操控算法与智能化
研究光镊操控的算法和智能化技术，实现光镊对多个粒子的协同操控，
提高光镊操控的效率和精度，为光镊技术在科学研究、工业生产和医学
诊断等领域的应用提供技术支持。
2023
REPORTING
THANKS
感谢观看
光镊技术的应用领域
要点一
总结词
光镊技术的应用领域包括生物医学、物理学、化学和纳米 科技等。
要点二
详细描述
光镊技术在生物医学领域中，可用于研究细胞和细胞器的 行为和功能，以及操控细胞和细胞器进行实验研究。在物 理学领域中，光镊技术可用于研究微观粒子的运动规律和 相互作用。在化学领域中，光镊技术可用于操控和反应机 制的研究。在纳米科技领域中，光镊技术可用于制造纳米 材料和纳米器件的研究和开发。
高精度定位
通过精确控制光的聚焦和强度分布，光镊可以实现微米甚 至纳米级别的精确操控，适用于各种高精度应用场景。
实时反馈控制
结合实时反馈系统，光镊技术可以实现动态和实时的粒子 操控，对于实时分析和应用具有重要意义。
光镊技术的限制
对光源要Байду номын сангаас高
对环境要求高
光镊技术需要高精度和稳定的光源，以确 保光束的质量和稳定性，增加了技术实现 的难度和成本。
2023
PART 02
光镊技术的基本构成
REPORTING
激光源
01
02
03
激光类型
高能激光束通常由固体激 光器或气体激光器产生， 如Nd:YAG或CO2激光器 。
波长选择
根据需要捕获的微粒大小 和材料特性，选择合适的 激光波长。
集成光镊的原理及应用
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。
光镊技术在生物实验中的应用研究
光镊技术在生物实验中的应用研究光镊技术是一种利用激光成像技术和激光光束束缚单个或少量微小物体的技术。
它具有快速、准确、精细等特点，并且在生物实验中有着广泛的应用。
一、光镊技术的原理光镊技术是利用激光产生作用力的原理，当激光束照射到微观颗粒上时，由于光学力的作用，颗粒受到的作用力使其在光束的光学势场中处于平衡状态。
这种作用力可以将微观颗粒固定在一个空间位置上，这就是所谓的光学“镊子”。
二、光镊技术在生物实验中的应用1.细胞操纵细胞操纵是光镊技术在生物实验中最常见的应用之一。
通过控制激光束的移动和强度，可以实现对细胞的定向移动、操控、切割等操作，从而实现对细胞的形态、生理和功能进行研究。
2. DNA修复光镊技术还可以应用于DNA修复研究中。
在DNA分子中，由于损伤、烷基化、辐射等因素会导致DNA链断裂或广泛损伤。
利用光镊技术，可以将损伤的DNA链修复还原，从而防止疾病发生。
3. 分子机器的组装与操作分子机器是在生物学和生物医学中起着重要作用的纳米机器。
光镊技术可以应用于分子机器的组装和操作上，通过镊子的作用力将多个分子连接在一起组成复杂纳米结构，实现更为精确的操作和控制。
三、光镊技术的发展前景随着技术的发展和应用场景的拓展，光镊技术在生物实验中的应用前景非常广阔。
未来，光镊技术将在细胞病毒的治疗方面、基因编辑技术中、药物研究和测定中等发挥重要作用。
同时，光镊技术在生物实验中的研究也将不断深入，为人类健康和医学研究提供更为精确的技术支持。
总的来说，光镊技术是一种十分有前途的技术，它在生物实验中的应用已经开始展现出其身手，未来光镊技术的应用前景将会异常广阔。
因此，未来的研究方向也将会越来越多，我们也将会看到更加令人惊喜的高科技的涌现。
光镊技术的原理及应用共24页PPT
雷阵雨作文(通用10篇)今天，天气闷热，老天爷好似心情不好，板着脸儿。
天，阴沉沉的，在外面玩得正欢的我，发现乌云滚滚，知道一定要下雨了，马上跑回家，关上窗子。
果然不出我所料，过了一会儿，一道闪电以迅雷不及掩耳之速划过天空，把乌黑的天幕撕成两半，紧接着雷公大发雷霆，消沉的轰隆声让人毛骨悚然。
这时，飘下几滴雨点，紧接着豆粒般大小的雨滴向地面俯冲而去，在地上、伞上不时溅起一朵朵“水花〞。
道路上车水马龙，堵得水泄劲不通。
人们都想快点回家，却一直寸足难行。
两旁的大树被吹得摇摇摆摆，像个喝醉的汉子。
绿带上的小花很纤弱，补冲倒了几片花瓣，无力地低着头。
人们打着伞，顶着风走，非常吃力，有的伞突然倒了过来了，成了“蒲公英〞，立即招来一阵哄堂大笑。
雷阵雨雷阵雨，只下一阵的雨。
这不，停了，天上挂着一条美丽的彩虹，天空仿佛在向我微笑……困难只有一阵，撑过去就可以看见美好的世界。
“轰隆隆〞雷公公拿出珍藏很久的鼓，重重地敲了几下，鼓声震耳欲聋，把教室里的小朋友都吓了一跳。
一道道闪电如巨龙飞腾，好似为大自然这个舞台亮起炫目的灯光。
“哗哗哗〞豆大的雨点奏起了欢快的乐曲，音乐会开始了。
俏皮的雨点从云朵里蹦到地上，渐渐地湿漉漉的地上结起薄薄地水层，转眼间又变成一个个小小的湖。
雨点落在湖中溅起一朵朵水花，仿佛是美丽的花儿在开放，又像是雨点在跳舞。
“轰隆隆〞雷公公又为在跳舞的雨点伴奏。
过了一会儿，雨停了，云散了，太阳公公又发出了灿烂的光辉。
今天，下了一场特大阵雨。
我午睡起来，发现天空一片黑暗，乌云在空中翻滚着，被风吹起的尘土和树叶到处飞扬。
预示着暴风雨就要来临了。
一个个闪电像带电的火龙在空中不断闪现，照亮着大地。
雷声，紧随着闪电的.影子在远处滚动着，发出一连串强大的声音，豆大的雨点开始漂落，路上的行人都缩着脖子弯着腰飞快地往家跑去。
哗，哗，雨越下越大，渐渐地，就像有人在空中用盆往下泼一般，看，雨落到地上溅起一朵朵漂亮的水花。
雨水落到房顶上，从房檐滑落下来连成一根根银丝像一副水帘。
光镊原理及其应用
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。
新型光镊及光镊应用课件PPT
2021/3/10
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光镊的基本原理和新型光镊
光镊的应用
2021/3/10
光镊的基本原理 新型光镊光场
全息光镊
光镊与细胞生物学
光镊与单分子生物学 光镊与软物质胶体科学
光镊与物理学
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2021/3/10
光镊的基本原理
光与物质相互作用伴随着动量的交 换, 从而表现为光对物体力的作用力 （F=P/t ）。由于光辐射对物体产生的 力常常表现为压力，因而通常称之为辐 射压力或简称光压。然而，在特定的光 场分布下，光对物体也可产生一拉力， 即形成束缚粒子的光势阱。
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操控动物活体内红细胞
光镊技术操控活体动物内的红细胞。(a) 光镊操控小白鼠耳朵毛细血管中的红细胞示意图; (b) 光镊诱导红细胞疏通血管恢复正常血液流动
该实验将光镊深入到小白鼠耳朵的毛细血管内操控单个或多个红细胞， 利用光阱力聚集多个红细胞堵塞血管，或者用光镊牵引红细胞疏通被阻塞的 毛细血管, 开拓了光镊技术研究活体动物新领域。通过这种非接触式的微创 手术202进1/3行/10的实验取证，为活体研究和临床诊断提供了一种全新的技术。 15
对于直径大于波长的米氏 散射粒子，可采用几何光学的 方法来解释光势阱的形成，如 图。
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光镊的基本原理
对于直径小于波长的瑞利 散射粒子对于直径小于激光 波长的瑞利散射颗粒, 适用 于波动光学理论和电磁模型。 波动光学理论认为, 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于强 度梯度的梯度力。梯度力与 散射力的比值大于1，这样 合力就指向焦点处，能够实 现对微粒的捕捉
2021/3/10
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2021/3/10
研究核糖体的核酸 cRNA 核苷酸序列所包含的遗传信息，并使之转化为蛋白质中氨基 酸的序列信息以合成蛋白质。因此，核糖体在生物的生命活动中具 有非常重要的生理作用。2008年Wen等研究了核糖体在翻译过程中 的动力学特性，即其沿着信使RNA 运动的精细动力学过程，并首次 证明了核糖体在易位运动中存在3个亚步。
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《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
4)中、英双语教学相结合，提高学生国际交流能力
5)撰写专题调研报告，培养学生的自主创新能力
教学手段
将多种现代的教学手段运用于课程教学之中，多方位多途径地展教学活动，以激发学生学习兴趣，提高教学效果。
1)将多媒体教学与板书相结合，以解决学时少内容多的矛盾
2)课件与电视录像片相结合，以提高学生的自学能力
3)丰富的网络资源为学生学习提供良好的软环境
六、调查、参观、实践、实验内容
七、主要参考资料
[1]《光镊原理、技术和应用》李银妹编译中国科学技术大学出版社1996
[2]《时域有限差分法FDTD Method 》 高本庆 国防工业出版社.1995年
[3][《非均匀介质中的场与波》美]Weng Cho Chew 著聂在平，柳清伙译电子工业出版社,1992年
[4] Ashkin A. Optical trapping and manipulation of single
cells using infrared laser beams. Nature, 1987, 33: 256-
267P
[5] Ashkin A, Dziedzic J M. Optical trapping and manipulation
of viruses and bacteria. Science, 1987, 235(4795): 1517-
1520P
[6] Sasaki M, Kurosawa T, Hane K. Micro-objective manipulated
with optical tweezers. Appl. Phys. Lett, 1997, 70: 785-787P 撰写人签字：院（系）教学院长（主任）签字：。