单光纤光镊的研究解读
光镊实验的研究内容
光镊实验的研究内容光镊实验是一种基于光力学原理的实验方法，通过利用光的动量对微小颗粒施加力的特性，实现对微小颗粒的操纵和定位。
光镊实验的研究内容主要包括光镊原理、光镊系统设计和应用等方面。
光镊原理是光镊实验的基础，其核心思想是利用激光束对微小颗粒施加光压力，产生一个与光束传播方向相反的恒力，从而实现对微小颗粒的操纵。
根据光镊原理，可以将光束聚焦到一个微小的焦点，形成一个光学陷阱，通过调整光束的参数，可以调节光陷阱的位置和力度，实现对微小颗粒的精确操纵。
光镊系统的设计是光镊实验的关键环节，它包括光源、透镜、光阑、光学陷阱等组成部分。
其中，光源是提供激光束的光源装置，通常使用激光器作为光源，激光器可以提供高强度、单色、相干性好的激光束。
透镜用于对激光束进行聚焦，可以将激光束聚焦到一个微小的焦点。
光阑用于控制激光束的直径和形状，可以调节光束的参数。
光学陷阱是光镊系统的核心部分，通过光学陷阱可以实现对微小颗粒的操纵和定位。
光镊实验的应用非常广泛，涉及生物医学、纳米技术、物理学等多个领域。
在生物医学领域，光镊实验可以用于单细胞操纵、细胞捕获和操纵、蛋白质分子的定位等研究。
在纳米技术领域，光镊实验可以用于纳米颗粒的组装、纳米器件的制造等研究。
在物理学领域，光镊实验可以用于研究光与物质的相互作用、光与物质的能量转换等基础问题。
光镊实验的研究还面临一些挑战和困难。
首先，光镊实验需要高质量的激光束，因此对光源的要求较高。
其次，光镊实验对光学系统的要求也较高，需要高质量的透镜和光阑。
此外，光镊实验对环境的要求也较高，需要较低的振动和干扰。
光镊实验是一种基于光力学原理的实验方法，通过利用光的动量对微小颗粒施加力的特性，实现对微小颗粒的操纵和定位。
光镊实验的研究内容包括光镊原理、光镊系统设计和应用等方面。
光镊实验在生物医学、纳米技术、物理学等领域有广泛的应用前景，但也面临一些挑战和困难。
光纤光镊在生物系统中的应用
光纤光镊在生物系统中的应用刘晓帅;李宇超;辛洪宝;张垚;李宝军【摘要】对生物细胞及大分子进行无接触、无损伤、高精度的捕获及操控,是目前集成光子学、生物光子学及临床医学等交叉学科领域的国际研究热点之一。
本文总结了目前光纤光镊在生物系统中的重要应用,特别是光纤光镊在单细胞操控、多细胞组装及生物细胞成像与探测领域的研究进展。
因其具有制备简单、可操控及体积小等优点,光纤光镊在细胞生长、组织分化、疾病诊断与断层显微术等领域具有潜在的应用价值。
【期刊名称】《安庆师范大学学报：自然科学版》【年(卷),期】2019(025)001【总页数】6页(P4-9)【关键词】光纤光镊;生物光波导;光流操控【作者】刘晓帅;李宇超;辛洪宝;张垚;李宝军【作者单位】[1]暨南大学纳米光子学研究院,广东广州511443;[1]暨南大学纳米光子学研究院,广东广州511443;[1]暨南大学纳米光子学研究院,广东广州511443;[1]暨南大学纳米光子学研究院,广东广州511443;[1]暨南大学纳米光子学研究院,广东广州511443【正文语种】中文【中图分类】O439早在4个世纪以前，著名天文学家开普勒就指出，彗星尾巴偏离太阳是由于太阳辐射压的作用。
1970年，美国贝尔实验室科学家Askin等采用514.5 nm的连续激光实现了对直径为2.68µm的微球进行加速、迁移和分离等操作[1]，进而制备了单聚焦光束的三维势肼，并应用于微粒及细菌的稳定三维操控[2]。
光操控如同微观世界的一把镊子，被形象地称为“光镊”。
基于对光操控的开创性工作，Askin教授被称为“光镊之父”，也因“光学镊子及其在生物系统中的应用”而荣获2018年的诺贝尔物理学奖。
鉴于光操控具有操控范围广、精度高、灵活性好、无损伤及无接触等优点，其一经发明，便引起了研究人员的广泛关注，并被应用于生物、医药及化学等领域的研究。
但传统光镊系统使用高数值孔径的透镜实现光束强聚焦，这导致其工作距离较短，因而它难以深入到生物样品内部进行物体操控。
光纤光镊技术
光纤光镊技术摘要光纤光镊利用光纤端面产生的光场对微小粒子进行俘获，俘获效果与光场密切相关。
比较常见的光纤光镊主要包括具有多个光纤的光镊、具有单个光纤的光镊以及特殊结构的光纤光镊等。
本文综合介绍上述各种光纤光镊。
关键词：具有多个光纤的光镊，具有单个光纤的光镊，特殊的光纤光镊，光阱力1.引言光镊因与人们生活中使用的镊子或者钳子的功能类似，可对微小粒子进行捕获，因此得名，也常被称为光钳。
最早期的是传统显微物镜型光镊，具有高数值孔径NA，对扩束、准直后的激光束进行高强度聚焦，产生的光阱力对粒子捕获，Ashkin.A在1970年首先发现[1]。
由于传统型的光镊缺陷显著，如结构复杂、成本高、体积大等，而光纤光镊搭建便利、操纵灵巧，采用高强度的激光光源可获得更大的光梯度力或光阱力，因而受到国内国外的研究学者高度关注，并不断发展、探索和创新。
2. 多个光纤的光镊多个光纤的光镊最先使用两根带光纤尾纤的红外二极管激光器形成光镊。
Constable.A等人在1993 年用两根单模光纤对微小粒子（聚苯乙烯球、活性酵母）进行光俘获[2]。
由于干涉现象等产生使得俘获微粒的稳定点不只一个，很难进行高精度的俘获微操作。
Guck、Bellini、Kreysing 等人先后采用两根光纤形成的光镊实现对生物细胞的俘获、拉伸、旋转，实现光镊操纵的多元化[3-5]。
Masahiro Ikeda 等人在2004年利用三根光纤形成光阱对微粒进行操纵，三根光纤的断面为半球形，通过控制三根光纤的光出射功率来控制微小粒子的旋转运动 [6]。
Zhang采用四根单模光纤形成光镊, 四根单模光纤在相互垂直的两个方向上对称设置，调整光纤准直后可捕获微粒，如图2-1。
利用3dB 的分光元件平衡各个光纤的光功率，四个衰减器单独控制各路光纤的出射功率 [7]。
多根光纤形成的光镊相比于传统型的光镊减少了体积、成本、结构复杂度，还将观测光路和操作光路进行分开，通过改变光纤断面形状提升光阱力、操作精度、稳定性。
光镊技术实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解光镊技术的基本原理和操作方法；2. 掌握光镊在操控微小物体中的应用；3. 分析实验数据，评估光镊技术的性能。
二、实验原理光镊技术是一种利用光力捕获和操控微小物体的技术。
其基本原理是：当光束照射到微小物体上时，由于物体对光的吸收、散射和折射，光束会发生偏折，从而对物体产生光压。
通过调节光束的强度、方向和聚焦位置，可以实现对微小物体的捕获、操控和定位。
三、实验仪器与材料1. 光源：He-Ne激光器；2. 光路调节系统：包括光束扩展器、光束分割器、光束聚焦器、光束导向器等；3. 操控平台：包括光镊、样品台、摄像头等；4. 样品：直径为5μm的玻璃球；5. 计算机软件：用于数据采集、处理和分析。
四、实验步骤1. 准备实验仪器，包括光源、光路调节系统、操控平台等；2. 将He-Ne激光器调至最佳工作状态，输出稳定的激光束；3. 通过光路调节系统，将激光束聚焦至样品台上的玻璃球；4. 调节光束聚焦位置，使光束与玻璃球接触；5. 观察玻璃球在光镊作用下的运动情况，并记录相关数据；6. 分析实验数据，评估光镊技术的性能。
五、实验结果与分析1. 光镊对玻璃球的捕获在实验过程中，当光束聚焦至玻璃球上时，玻璃球被成功捕获。
在光镊作用下，玻璃球在样品台上做往返运动，运动轨迹基本呈直线。
这表明光镊能够有效地捕获微小物体。
2. 光镊对玻璃球的操控通过调节光束聚焦位置和强度，可以实现对玻璃球的操控。
在实验中，我们观察到以下现象：（1）当光束聚焦位置在玻璃球上方时，玻璃球向上运动；（2）当光束聚焦位置在玻璃球下方时，玻璃球向下运动；（3）当光束聚焦位置在玻璃球侧面时，玻璃球沿光束方向运动。
这表明光镊能够实现对微小物体的精确操控。
3. 实验数据与分析根据实验数据，我们可以得出以下结论：（1）光镊技术能够有效地捕获和操控微小物体；（2）光镊的操控精度较高，能够实现对微小物体的精确定位；（3）光镊技术在操控微小物体方面具有广泛的应用前景。
光镊
单光纤光镊的应用——利用光纤光镊方法测量液体的粘滞系数信息与通信工程学院2012081307高彤光纤光镊方法测量液体的粘滞系数【摘要】光镊是一直处于发展中的微操作微测量工具，普通光镊设备基于显微镜搭建，设备体积较大、代价较高、自由度低，使光镊在灵活应用的角度受到局限。
光纤轻便、低廉、灵活，并己作为信息传递的媒介广泛应用于光通信领域，将光纤引入光镊系统，利用光纤本身代替显微物镜形成会聚光束，同时利用光纤捕获并牵引微粒运动，大大提高了操作的自由度与灵活度。
另外普通单模光纤芯径约10微米，与很多生物细胞和大分子的尺度相当，使得光纤光镊仍然可以广泛应用于生命科学领域。
作为传统光镊的一个有益补充，光纤光镊技术的研究和应用正越来越受到人们的关注。
论文介绍了基于单模光纤微探针的光镊技术，综述了技术的原理、基本装置、若干关键问题以及近年来国内外研究现状。
光纤光镊轻便灵活，增大了光镊捕陷范围和操作灵活度，其与微流道、微芯片、激光计量和光谱仪等设备的结合，使得光镊的应用推广到更多领域。
进一步将工作具体到某一类问题上，即利用光纤光镊测量液体的粘滞系数。
光纤出射光场中的微粒受到激光的作用将发生运动，通过调控光纤的出光进行局域的作用，改变微粒的运动状态，再行观测微粒的位移改变来得到此局域中流体的性质或参数，如粘滞系数。
测量之余，还在液相中使用双光纤光镊生动直观地演示了激光的力学效应这一基本物理属性。
以上的实验结果表明，利用激光方法，无论是光纤光镊方法还是激光多普勒方法测量流体力学的各种参量是有效的，并且取得了较为理想的结果。
【关键词】单光纤光镊粘滞系数一、光纤光镊的模型及其应用1.1引言光镊，即单光束梯度力光阱，是利用光的动量的改变来实现微粒的捕获与操纵的工具。
自1986年A.Ashkin首次实现一束强聚焦激光稳定俘获生物粒子至今，光镊技术的发明己历经20余年，并在物理、化学、材料等领域得到了广泛的应用，光镊无接触、无损伤、可以测量皮牛量级力的特点更是使其成为生命科学青睐的理想工具。
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。
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
第五组——光镊技术的新应用剖析
光镊技术的新应用纪美伶，白中博，王娜，马学进（西安交通大学生物医学工程）摘要激光光镊自从1986年发明以来，作为一种无直接接触、无损伤、可产生和检测微小力以及精确测量微小位移的物理学工具，在生命科学等多个领域得到了广泛的应用。
本文从光镊的诞生出发，简要讨论了光镊的原理，光镊装置的基本结构，并简要介绍了各个种类光镊的独特功能以及基于光镊的一些新技术，进而对光镊技术及其在生命科学中的应用现状和进一步发展作了评述和讨论，阐述了光镊在生命科学研究中的潜在地位和巨大的发展前景。
关键词光镊；生命科学；原理；基本结构；应用现状；发展New Applications of Optical TweezerJi Mei-ling,Bai Zhong-bo,Wang Na,Ma Xue-jinAbstract The optical tweezer technique has emerged as a flexible and powerful tool for exploring a variety of scientific processes such as life science since it was invented in 1986. From the birth of the optical tweezer, this paper will briefly discuss its working principle, its basic structure and introduce some kinds of optical tweezers with novel features or some new technologies based on it. Then its recent developments on both the technology and applications in life science will be reviewed. It is shown that optical tweezer will have great potential in life science.Key words：optical tweezer; life science; principle; basic structure; application; development光镊简介一百年前，爱因斯坦提出的光量子学说最终导致了激光的诞生，20世纪60年代激光器的发明，使光与物质相互作用产生的力学效应真正走向实际的应用。
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。
基于光镊技术的研究性实验
关键 一 步．同 时 在 进 行 另 一 个 研 究 方 向，即 利 用 光镊操控被捏合在单分子上的微米小球来控制单 个分子，用光镊提 供 的 皮 牛 顿 力 研 究 生 物 马 达 相 互作用以及 ＲＮＡ 分子结构和功能等．
在系统研究光镊技术 的 基 础 上，２０００ 年 中 国 科学技术大学将这项前沿物理的科研成果及时引 入 本 科 生 实 验 教 学 ，开 设 “光 的 力 学 效 应 及 光 阱 力 的测量”实验，取得了很 好 的 教 学 效 果［４］．本 文 从 光 学 镊 子 的 基 本 原 理 出 发 ，介 绍 实 验 设 计 思 路 ，展 示光的力学效应 系 列 实 验，开 拓 光 学 镊 子 研 究 性 实验教学［４６］，以此为高等院校的基础和前 沿 物 理 的研究性实验教学提供参考．
关 键 词 ：光 镊 ；光 压 ；光 阱 ；梯 度 力 中 图 分 类 号 ：Ｏ４３６ 文 献 标 识 码 ：Ａ ＤＯＩ：１０．１９６５５／ｊ．ｃｎｋｉ．１００５４６４２．２０１８．１１．００１
１ 科 学 背 景 和 实 验 目 的
２０１８年 诺 贝 尔 物 理 学 奖 授 予 美 国 科 学 家 阿 瑟·阿什金（ＡｒｔｈｕｒＡｓｈｋｉｎ），以 表 彰 他 在“光 学 镊 子 的 发 明 及 其 在 生 物 领 域 的 应 用 ”突 破 性 贡 献 ． １９８６年阿什 金 成 功 地 利 用 一 束 强 会 聚 激 光 束 实 现了可以移动生 物 微 粒 的 三 维 光 场，这 一 发 明 被 形象 地 称 为 光 学 镊 子 （Ｏｐｔｉｃａｌｔｗｅｅｚｅｒｓ）或 光 镊［１３］．光学镊 子 搬 运 微 粒 的 情 形 酷 似 无 形 的 机 械手将按照操作者的意志自如地控制目标微粒， 如 原 子 、分 子 、细 菌 或 细 胞 等 ．光 学 镊 子 为 研 究 微 观物质结构和功 能，以 及 观 察 和 控 制 生 命 的 机 器 创造了全新的契机．
光镊技术的发展概况
光镊技术的发展姓名：***学号：SA********专业：检测技术与自动化装置目录1 引言 (2)2 光镊技术的原理 (4)2.1 光镊技术基础 (4)2.2 光的动量和光压 (5)2.3 新型光镊光场的研究 (7)2.4 应用中的相关理论 (9)3 光镊技术的应用 (11)光镊在生物细胞上的应用研究 (11)4 光镊技术的发展现状 (14)4.1 研究论文的发展势态 (14)4.2 技术专利的情况分析 (14)参考文献 (15)1 引言光具有能量和动量，经典光学主要以电磁辐射本身为研究对象。
而近代光学的发展则是以光与物质相互作用为重要的研究内容。
20世纪60年代激光的发明，为人们研究光与物质相互作用提供了一种崭新的光源，其中高简并度的激光使得光镊技术得以问世。
光镊技术是美国科学家于1986年发明的。
光镊又称为单光束梯度光阱。
简单的说．就是用一束高度汇聚的激光形成的三维陷阱来俘获，操纵控制微小粒子。
自诞生以来，光镊技术已经在微米尺度量级粒子的操纵控制，粒子间的相互作用等方面的研究中发挥了重要作用。
1969年，Ashkin通过理论计算认为聚焦的激光能推动尺寸为几个微米的粒子，并实现了用聚焦的氩离子激光使悬浮在水中的透明胶粒(直径0.6-2.5μm)沿着光轴方向加速推离。
他发现接近光束的微粒也出乎意科地被吸入光束中推离。
在通过用气泡与液滴反复实验后，Ashkin认为光束对折射率比周围介质高的微粒具有横向吸力，但对折射率比周围介质低的微粒具有横向推力。
1970年．Aahkin等首先提出能利用光压(optical pressure)操纵微小粒子的概念。
一直到1986年，Ashkin才发现只需要一束高度聚焦的激光，就可以形成稳定的能量阱能将微粒稳定俘获。
这标志着光镊的诞生，正因为如此．光镊的正式名称为单束光梯度力阱(single—beam optical gradient force trap)。
由于激光聚集可形成光阱，微小物体受光压而被束缚在光阱处，移动光束使微小物体随光阱移动，借此可在显微镜下对微小物体(如病毒、细菌以及细胞内的细胞器及细胞组分等)进行的移位或手术操作。
光镊技术概论
光镊技术概述姓名：刘志辉 学号：SC11009018 系所：009系光镊又称单光束粒子阱，是A.Ashkin [1]在1969年以来关于光与微粒子相互作用实验的基础上于1986年发明的。
单光束粒子阱实质上是光辐射压梯度力阱，是基于散射力和辐射压梯度力相互作用而形成的能够网罗住整个米氏和瑞利散射范围粒子的势阱。
一、光镊技术的基本原理光可以看作是光子流，每个光子都具有动量P [2]：λh C E P == E 是波长为的光子能量。
当光照射到物体时，光子的动量传递给物体并产生压强，称为光压。
光压对于宏观物体的影响可以忽略不计，但对于直径小于100um 的微小粒子，这种辐射压的作用是必须考虑的。
光镊对粒子的俘获作用机制与其尺寸有关。
根据粒子直径(D )和光波长(λ)的大小关系，光镊的作用机制被分为3类：几何光学机制(λ>>D 时)、雷利机制(λ<<D 时)和中间机制(介于前两者之间的情况)。
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[3]。
如图1所示。
入射光线a 在粒子小球的作用下而偏离原来的运动方向，粒子小球则受到一个相反的作用力Fa 。
同理可知，光线b 对粒子施加Fb 的作用力。
Fa 和Fb 的合力指向光束的焦点。
这样，就可以通过移动光束的焦点的位置，控制粒子小球前后左右的移动，实现对粒子的捕获和操控。
图1单光束梯度力光阱的几何光学原理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与强度梯度的梯度力。
在折射率为的介质中，折射率为 的瑞利粒子所受的背离焦点的散射力为c P n F scat m scat /= (1)这里scat P 为被散射的光功率。
或用光强0I 和有效折射率m p n n m /=表示为m scat n m m r c I F 2224650)21(3128+-=λπ (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2222332)21(22E m m r n E n F m m scat ∇+--=∇-=α (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11)2(643320352225≥-+==ωλπr m m n F F R m scat grad(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。
有关于光镊原理的生活应用
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。
基于光镊技术的生物分子操作及分析研究
基于光镊技术的生物分子操作及分析研究光镊技术是一种应用光学技术进行微量生物分子操作和分析的新技术，取得了不错的研究成果。
该技术在生物领域中的应用越来越广泛，已经成为分子生物学和细胞生物学研究中不可或缺的技术手段。
一、光镊技术的基本原理光镊技术是一种基于激光光束产生光场的技术。
它利用高功率聚焦光束把单个微小分子或一群分子集中到一个小的空间位置，实现对其进行操控和分析。
光镊技术在生物分子操作和分析中的应用主要包括以下几个方面：1.单细胞操作：通过光镊技术可以有效地捕捉、分离和操作单个或几个细胞及其细胞器，从而实现对生物细胞的精细操作。
应用光镊技术，可以有效地研究细胞生理、代谢和基因表达等生物过程。
2.分子操控：通过光镊技术，可以精确地控制和操作单个分子或少量分子。
比如，可以通过光镊技术分辨单个DNA 分子的乘积、拷贝数、末端结构等许多信息。
3.分子分析：光镊技术还可以对生物分子实现高分辨、高灵敏的可视化分析。
应用光学显微技术，对细胞和组织进行定量的三维成像，同时可以实时监测分子运动和反应的动态过程。
此外，还可以通过分子激发、荧光共振、表面增强拉曼散射等技术手段对单个分子进行分析。
二、光镊技术的应用随着生物学研究的不断深入，光镊技术逐渐成为生物领域中不可或缺的技术手段。
具体应用包括：1.单细胞操作：利用光镊技术，可以捕捉、分离并操作单个或几个细胞及其细胞器。
这种操作可以精细地调控细胞生长、分化和转化等生物过程，为生物学研究提供了强有力的工具。
2.DNA操作：应用光镊技术可以对单个 DNA 分子进行操作，可以实现 DNA 复制、酶的作用机理等许多生物学研究的关键问题。
此外，还可以通过操控分子的空间位置，实现分子之间的特定相互作用，从而实现分子间的定量测量。
3.药物筛选：应用光镊技术，可以高效地筛选药物的作用机理和作用效果。
利用光镊技术，可以将目标分子和潜在药物操控在非常小的空间范围内进行反应，对药物的活性和效果进行快速评估。
光镊-显微拉曼光谱的研究的开题报告
光镊-显微拉曼光谱的研究的开题报告题目：光镊-显微拉曼光谱的研究摘要：拉曼光谱技术是一种非常有效的化学和物理分析工具，在许多领域有广泛的应用，如纳米材料表征、化学反应动力学、生物医学等领域。
近年来，光镊技术也在微观物体操作和操控上得到了广泛的应用。
本文将探讨光镊-显微拉曼光谱技术的原理和应用，结合实验数据分析，为光镊技术和拉曼光谱技术的发展提供新思路。
关键词：光镊；显微拉曼光谱；微观操控；表征1. 研究背景和意义拉曼光谱技术是一种用于分析物质结构和化学成分的非常有效的方法，可以提供分子级别的信息，并且不需要特殊的样品处理或标记化。
近年来，拉曼光谱技术已经广泛应用于各种领域，如纳米材料表征、化学反应动力学、生物医学等。
光镊技术是一种具有广泛应用前景的微观操作和操控工具，可以对微观物体进行操作和操纵。
光镊技术的应用已经涉及到多个领域，如微纳光子学、生物医学等。
光镊-显微拉曼光谱技术是将光镊技术与拉曼光谱技术相结合，旨在实现对微观物体的操纵和表征。
该技术可以使微小量的样品得到高质量的拉曼光谱，具有广泛的应用前景。
2. 研究方法和步骤（1）搭建光镊-显微拉曼光谱实验平台。
该平台包括显微镜、激光光源、拉曼光谱仪、光镊等设备。
（2）制备待测样品，并进行显微镜观测。
以透明纳米颗粒为例，通过显微镜观测其形态和大小，并确定合适的操作区域。
（3）利用光镊对待测样品进行操控。
通过引入光镊技术，在显微镜下对待测样品进行定位、操纵。
（4）使用拉曼光谱仪对样品进行光谱测量。
以待测颗粒为例，通过拉曼光谱仪在激光聚焦的区域进行光谱测量，并得到样品的拉曼光谱信息。
（5）分析实验数据。
根据实验测量数据进行分析和处理，探究光镊-显微拉曼光谱的特点与应用价值。
3. 预期成果通过搭建光镊-显微拉曼光谱实验平台，实现对微观样品的操纵和拉曼光谱测量，探究该技术的特点与应用价值，并对样品的表征提供有力的技术支持。
本研究的成果将为光镊技术和拉曼光谱技术的发展提供新的思路和方向。
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。
光的力学效应——光镊
光的力 用时T时间，那么物体就会收到一 个力。可计算出这个力。
普通光源的力学效应微乎其微！ 光子密度低，方向性差。 实验观测和测量极其困难！
1960年激光问世
激光特点：高单色性、高亮度、方向性好。
光镊简介
分选单挑染色体
(a) 游离的水稻中期分裂相细胞; (b) 紫外脉冲光对细胞穿孔使之破裂，释放出染色 体; (c) 荧光激发下观测染色体，用光镊夹持其中单条染色体; (d)~(f) 光镊夹持单条 染色体使其从细胞残骸(染色体群体)中分离出来; (g)~(h) 利用微吸管将光镊分离的染色体富集
操控动物活体内红细胞
光镊技术
——光镊技术的原理与应用
理学院物理包玉
提纲
•光的力学效应原理 •光镊简介 •光镊原理与特点 •光镊的应用
光的力学效应
光的力学效应？ 光有力量吗？
从“光与物质 的相互作用” 说起……
光的效应
光的热学效应： 阳光照射我们，我们会感到暖。 （常见的效应）
光的力学效应：
光照射物体交换动量，使光照射的 物体受一个力或力矩，物理发生速 度、角速度、位移的变化（微小难 以察觉）
光镊是以激光的力学效应为基础的以种物理工具，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。 1969年实现了对水中的玻璃小球的捕获。1986年发现单束激光足以形成 三维稳定光学势阱，可以吸引微粒并局限于焦点附近。近年来越来越发 展突出，已在医学界受到广大研究者的青睐。
光悬浮——光捕获——光致旋转
贝塞尔光束同时也属于非衍射光束， 相比于高斯型光束，贝塞尔光束可 传播较远距离而保持中心光斑的大 小和尺寸基本不变。由于贝塞尔光 束在传播过程中具有很好的稳定性， 故被用于引导微粒沿轴向输运距离 可达3 mm，这个间距远远大于高斯 型光束的光镊的轴向捕获深度。并 且，在轴向3 mm 距离中可以实现 非衍射光束还包括马提厄光束、 多个平面长距离捕获多微粒，如图 抛物线光束、艾里光束等。 所示。
光镊技术
光镊技术技术原理：光与物质相互作的本质是光的电磁场与组成物质的带电粒子相互作用的结果，具体的物理过程依赖于与之相互作用的物质的性质。
以透明电介质小球作模型,设小球的大小等于或大于光波长，小球的折射率n1大于周围媒质的折射率n2，采用几何光学近似。
单光束梯度力光镊原理由一束高度会聚的激光束构成的。
在强会聚的光场中，粒子在X—Y—Z三个方向都将受到一指向光最强点（焦点）的梯度力。
Z方向受的力的方向与光传播方向相反，也就是说光对粒子不仅有推力还有拉力，粒子被约束在光最亮点附近。
技术特点：1）光镊是以光场的形式与物体交换动量的结果，光镊是一种特殊的“无形”镊子，没有机械镊子夹持物体有集中的受力点，光镊的操作是非接触的、无损的。
2）光具有的穿透特性，光镊可以越过透明屏障，穿过封闭系统的表层（细胞膜）操控其内部微粒（细胞器），也可以透过封闭的样品池的外壁，操控池内微粒，实现真正的无菌操作。
3）光镊更多的是在液体中工作，能够保持细胞生存的“天然”环境。
因此，光镊技术特别适合用于对活体生物细胞、细胞器以及生物大分子的操控和研究。
4）光镊操控微粒的尺度在几十纳米到几十微米，这也是生物大分子、细胞器、细胞的尺度范围。
在该尺度范围光镊是唯一的操作手。
5）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（～1000倍），因此光镊是以“遥控”的方式，远距离工作的。
6）光镊操控微粒直接展现在显示屏，是可视性，完全暴露在我们视野中的细胞为研究者提供了进行下一步工作的极大方便。
目前还没有其它实验技术比光镊研究操控活体能如此得心应手。
7）光镊是微小力的探针。
光镊对微粒的操控不是刚性的，类似弹簧，在操作过程中能实时感应微小的负荷。
因此，光镊是极其灵敏的力传感器，力的分辨精度高达几飞牛。
8）光镊与其它技术手段结合，如常规显微镜所配置的荧光，相差，微针等，还有激光刀，近场光学显微镜，共聚焦显微镜，光谱仪等。
目前还没有能够直接深入到细胞内操控单分子的技术和方法，而光镊已实现了在体外操控单个大分子，实时追踪其运动，获取单分子静态和动态的力学性质等，成为生物学领域不可或缺的一种独立的技术。
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单光纤光镊的研究1 绪论1.1 概述光学捕获理论则是建立在光的辐射力基础上的。
当光辐射场与物体的相互作用时会使物体受到光辐射力的作用。
而激光捕获就是利用激光的这一效应实现对微粒的稳定捕捉的。
由于光镊是利用光束实现对微粒非机械接触的捕获，而且捕获距离远大于捕获对象的尺度，因此在捕获过程中不会产生机械损伤也不会影响粒子周围的环境。
而且在操作过程中，光镊可作为力的传感器实时测量微粒间的相互作用力。
这也使得光镊不但是操控微粒同时还是研究微粒静态和动态力学特征的理想工具。
但由于显微镜的常规光镊仪器体积庞大，价格昂贵还有几何尺寸等问题限制了常规光镊作为生物粒子微操纵工具的应用。
而新发展的光纤光镊技术能够较好地解决这类问题，它利用光纤出射光场构成光镊，使光阱操纵与光学显微镜分离。
从而改善常规光镊仪器所存在的问题。
在目前为止，光镊已被广泛应用于对细胞、细胞器和染色体的捕获、分选、操纵、弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、测定马达蛋白作用力、及对膜体系进行定量研究。
除此以外，光镊技术还被应用于微小颗粒的捕获、排列和显微制造等领域。
随着光电器件性能的进一步提高和光镊技术的进步，光镊必将得到越来越广泛的应用。
1.2 光镊技术的发展及应用光镊是单光束梯度力势阱的简称，是基于光作用于物体的辐射压力和梯度力相互作用而形成的势阱。
1.2.1 光镊技术的背景1864年，英国数学物理学家麦克斯韦创立了电磁场理论，提出辐射场携带动量，论证了光压的存在，并推导出了光压力的计算公式；1901年，俄国物理学家列别捷夫用悬在细丝下的悬体制成扭称实现了光压力的实验测量；1905年，爱恩斯坦提出了光量子的概念，认为光是一群以光速运动的、既有质量又有动量的光子流；1909年，德拜给出了线偏振电磁波作用于均匀球形粒子的辐射压力的理论，但由于光辐射压极其微弱，同时也因没有足够强的光源，所以无法进行实验研究。
直到20世纪60年代，激光的发明给辐射压力的研究提供了高强度、高准直度的光源。
在1968年，苏联科学家Letokhov提出了利用光场的梯度力来限制原子的想法；1969年，美国贝尔实验室的Ashkin等人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。
在研究了这两种现象后，他又利用相对传播的两束激光实现了双光束光阱；1970年，Ashkin等首先提出能利用光压操纵微小粒子的概念，利用多光束激光的二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；直到1986年，Ashkin等人采用大数值孔径显微物镜会聚单束激光，在水溶液样品池中实现了对介电微球的三维光学捕获。
这标志着“单束光梯度力阱”的诞生，简称为“光镊”。
1.2.2 光镊技术的应用（一）生命科学领域由于光镊可以实现对生物活体样品非接触无损伤的捕获和操纵，因此光镊技术的应用研究热点主要集中在生物学方面，特别适合于生物大分子、生物细胞的研究，如人们可用光镊对细胞、细胞器及染色体进行捕获、分选、操纵、弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、测定马达蛋白作用力及对膜体系进行定量研究。
Ashkin首先将光镊技术应用到生物领域，实现对病毒和细菌的捕获与操纵。
利用光镊技术实现激光诱导细胞融合，下图为骨髓瘤细胞融合过程。
图1 骨髓瘤细胞融合K.Svoboda等人在分子水平上观测到动蛋白分子沿微管以8nm的步幅腾跃前进，间隔为1ms量级，从而证明驱动蛋白分子将化学能转变为机械能的元过程是非连续的，这是人类第一次辨认出动蛋白的运动状态。
M.Daoa等人讨论了利用光镊对人类血红细胞的受损形状力学研究，下图2为利用光镊进行细胞壁的力学参数测试的实验过程。
图2 利用光镊进行细胞壁的力学参数测试（二）表面科学及凝聚态物理等领域目前光镊技术在表面科学及凝聚态物理领域也得到了应用与发展。
其中以Missawa为代表的日本研究小组设计了一种光镊分时操作装置，使一束光可形成多达8个独立的光阱。
利用这一装置对乳胶微粒进行了操作，能有效地控制粒子的流动方向，选择颗粒的大小以及空间图案的排布。
除此以外，他们还发现表面结合了极性或非极性功能分子团的聚苯乙烯小球与溶液中的荧光探针分子相互作用，可使后者发射的荧光波长和强度发生发生，从而通过荧光信号可以探知小球表面的化学性质。
结合光谱测量技术，光谱可以随意地操纵或固定单个小球的空间位置。
因此可以探测单个小球表面结合物发射荧光的细节，从而确定小球表面的分子结构。
（三）微操控及微细加工领域光镊作为微小位移操纵手段和粒子间微小相互作用力的探针，不仅仅用于生物学领域，也同样适合其他微小粒子的研究，诸如微粒的运动特性、微粒间的相互作用、微粒的排布和纳米器件的组装与检测等。
采用光镊技术还可以实现更为复杂的操作过程。
如通过改变两束激光的路径差，可使光阱中的微颗粒发生可控制性旋转、加速及停止等；另外，通过改变两束激光的频率差，也可对光阱中的微结构实施可控及连续性的旋转。
Eriksen等人则研究了通过多光束光镊实现对微颗粒的操作问题：采用不规则钻石微粒作为光镊的“手柄”，Sun等人还成功地对粘附在微粒上的生物细胞进行操纵。
Gauthier 在1997年首次提出将光镊应用于微加工领域，可实现对微小器件的非接触式移动、操纵和组装。
光镊方法甚至可用于驱动微型齿轮，从而组成一种微光机电系统。
（四）光子晶体领域光镊在光子晶体研究领域中也有重要应用。
光子晶体是近年来应用物理和材料科学的一个重要研究领域，它是介质颗粒周期排列而成的人工材料，能够产生光子带隙，频率落在带隙内的光在晶体里沿任何方向都不能传播。
可以利用光镊对光子晶体进行排列，如图3所示。
在制备三维光子晶体的方法中，仍然无法控制晶体生长过程中的缺陷态，利用光镊技术对产生的缺陷进行修复以及对生成的晶体进行修整，就能达到去除缺陷的目的，能够生成大面积无缺陷的三维光子晶体。
图3 利用光镊排列光子晶体除此以外，光镊技术在基础物理学、大气物理、重力场和流体场等精密测量领域的应用也正在研究中。
为了扩展光镊的应用范围，人们还将它与其它依赖于激光的显微成像技术，如荧光成像、微分干涉衬成像、激光刀、激光共焦扫描、探针扫描等技术相结合。
总之，光镊理论和技术的深入研究将有效地促进生命科学、医学、材料科学、物理学、化学及纳米技术等领域的研究与发展，同时也将因此而出现一些新的研究方法和研究领域。
1.3 光纤光镊技术基于显微镜的光镊仪器体积庞大，价格昂贵，样品移动自由度小等缺陷限制了普通光镊的应用，使其很难操纵位于狭窄位置的微粒，也不易实现多光镊操纵。
这些固有的缺点限制了其作为生物粒子微操纵工具的应用。
新发展的光纤光镊技术较好地解决了这些问题。
光纤光镊系统以其结构简单，价格便宜，捕获范围大等优点越来越受到人们的广泛重视。
光纤光镊系统是利用光纤出射的激光束来实现对粒子的微操纵。
光纤光镊的光路独立，可使光阱及其操纵与光学显微镜分离，光学显微镜只起观测功能，能够改善常规光镊仪器所存在的弊端。
基于光纤光镊仪器结构要简单得多，光纤有空间滤波效应，对光源的传播模没有严格要求，可用带尾纤的二极管激光器，无需外部光学系统，结构特别简单。
而更为有利的是：二极管激光器可以快速开关和调制，可满足多种光微操纵实验研究的需求。
与基于显微镜的光镊系统相比，光纤形成的光阱操纵灵活，被捕获的生物样品可以自由移动。
光镊微操纵简单适用，光纤可以深入到样品室，在样品池里形成光阱，大大提高了光阱捕陷范围，捕陷光学系统从观察光学系统中分离出来，使得在系统中添加激光束计量和光谱仪等测量设备有了较大的自由度。
1.3.1 平端面光纤光镊基于平端面单模光纤光镊技术是利用两支精确准直、相向传播的单模光纤平端面出射的激光束形成平端面光纤光阱的。
Constable等人首先利用了这种平端面单模光纤形成的光阱，成功地实现了对尺寸在0.1-10um之间的聚苯乙烯小球和活性酵母的光捕获和光操纵。
他们的研究结果表明：对于直径小于1um的粒子，光阱捕获的能力比已有的光镊系统提高了3-5个数量级。
Jense-Mcmullin等人采用腐蚀法加工V型槽，以V型槽作为光纤的准直定位手段，建立了由两根单模捕获光纤和一根多模光谱探测光纤组成的光纤光学捕捉系统。
图4 光纤捕捉、探测系统1.3.2 半球形自透镜端面光纤光镊半球形自透镜单模光纤的光镊技术，其主要特点是光纤末端面被精磨成逐渐变细的半球面状，从其末端面出射的激光束具有弱聚焦特性。
这种自透镜单模双光纤光阱技术不仅很好地改善了光纤光镊的稳定性，而且提高了光阱捕获区域的范围。
图5 基于半球形自透镜单模的光纤光镊2 光镊的原理光镊实际上是一束强会聚激光形成的特殊光场，物体一旦涉足光场就会自动移向光束中心，这种不由自主的运动犹如物体从空中坠向地面，表现出一种向心“引力”效应。
而光镊其实就是具有引力的光学势阱，这个光学势阱如一把镊子，能夹持和操纵微小物体，所以称为光学镊子或简称为光镊。
2.1 光镊的基本原理2.1.1 光的力学效应光的本质是电磁波，它具有能量和动量。
当光与物质相互作用时会产生动量的传递，而表现为对物体施加一个力，并引起物体位移和速度的改变，这叫做光的力学效应。
它主要表现为对物体的压力，所以称之为光压。
对于垂直入射的光束作用在完全吸收面上的光的辐射压，采用坡印亭矢量S 可表示为：cS P = 经求时间平均后的：cI c S P =><>=< 其中，I 为光强度。
因此，作用在实际物体上的光捕获力F 可表示为：cP n Q F 1= 其中，n 1为周围介质的折射率；c 为光速；P 为光功率；Q 称为捕获率，是作用在实际物体上力与入射光具有的单位时间动量的比值，为无量纲数，取值0-2，作为光捕获特性的指标使用。
该Q 值在很大程度上依赖于光学条件，如激光器聚光角、波长、光斑尺寸、偏振光、光束分布图等；微小物体条件（尺寸、形状、折射率）和环境条件（水、空气）等。
2.1.2 光阱力的分析及其形成条件（一）梯度力和散射力当一束激光经透镜聚焦后，射入轴上焦点附近的透明介质球，该介质球主要受到两种力的作用，一是来自于粒子对光的反射、散射以及吸收的散射力F scat，在这些过程中粒子会受到沿着光传播方向的作用力，使得粒子沿着光束的传播方向运动；另一种是来自介质小球中的电偶极距在不均匀电磁场中受到的梯度力F grad。
它正比于光强的梯度，指向光场强度的最大处。
它使得粒子朝向光功率密度最大的点运动。
当梯度力大于散射力时，粒子就能在光强度梯度最大处被捕获。
因此，光镊是利用微粒与光折射作用产生的梯度力来工作的。
如下图6所示，介质球球心处于激光束焦点下方，当轴外光线a、b无损耗地穿过电介质小球上时，被折射使传播方向更平行于光轴，即增大了纵向动量。