基于自组型光镊的梯度光场与基本参数实验

基于自组型光镊的梯度光场与基本参数实验

一、实验目的

1.通过亲身参与部分的光镊搭建工作，建立对光镊仪器的光学设计原理和组成结构的直观理解。

2.理解光镊在实现微粒捕获的过程中对成像系统的要求，捕获光路在光镊工作时的影响以及调试方法。

3. 掌握光镊力学性能的表征测量方法，结合物镜参数分析基本参数在影响光镊性能时的特点和规律。

4．开放式的实验教学，提高学生的综合分析和解决问题的能力，启发同学在面对问题时要敢于设想，敢于求证。

二、原理部分

1.光镊技术简介

光镊是利用强会聚的激光光场与微粒相互作用而形成的光学势阱，可以在三维方向控制微粒。A. Ashkin等人于1986年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，因此，光镊正式名称为“单光束梯度力势阱”（single-beam optical gradient force trap），是利用激光的力学效应来实现对微粒的俘获、夹持和移动的一种物理工具。

光镊使物体整个受到光的束缚达到“钳”的效果，然后通过移动光束来迁移物体。在以形成光镊的光为中心的一定区域内，物体一旦落入这个区域就有自动移向光束几何中心的可能，表现出光镊具有“引力”效应(也有人称之为牵引束)。已经落入阱中的微粒(处在光学中心的微粒)若没有强有力的外界扰动，物体将不会偏离光学中心。由于各种外界作用或微粒自身运动等原因，微粒偏离了光学中心也会很快恢复原位，所以光镊又酷似一个陷阱。这个陷阱有一定范围，在该范围边界处存在一个势垒。当物体的动能不足以克服势垒时，它将继续停留在陷阱内。

光镊操控具有可视性，能够实时动态跟踪、进行微小力的测量。光镊在研

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究微小粒子行为方面具有非常明显的优势。首先，光镊对微粒以非接触的遥控

方式，实施无损无菌操控；其次，光镊捕获的粒子在几十纳米到几十微米，正

好是生物细胞、细胞器以及生物大分子的尺度范围。对于活体的操控，光镊填

补了微米、纳米尺度范围的操作工具，是该尺度范围唯一的操作手段。光镊技

术兼容性强，可以与荧光激发，拉曼光谱技术，DIC微分干涉仪，微针辅助测量等等技术结合。

2.激光的梯度光场与力的分析

光阱的产生是光与物体相互作用的结果，激光经汇聚形成具有梯度力的光场，具有一定透明度的微粒在此梯度光场中一方面由于吸收和反射产生散射力，另一方面由于折射引起动量改变，产生的梯度力克服散射力的影响，使得微粒被稳定在焦点附近。其中，微粒的折射率大于周围环境折射率，微粒的直径在远大于激光波长时可以用几何光学方法进行受力分析。以下就梯度光场和小球受力这两个关键因素加以分析说明。

2.1 激光的梯度光场

光线是具有动量的，动量是一种矢量。当一束激光照射到小球上时，激光发生折射和反射，也包括一部分吸收，由几何光学可确定光线传播的路径。我们以透明电介质小球为模型，通过考察光穿过介质球的行为来分析光作用于物体的力。设小球折射率n大于周围媒质的折射率n0，且小球直径远大于所用激光波长。

为了便于说明，建立笛卡儿坐标系，以小球的中心为原点(0,0,0)，以光线传播方向为z轴正向，与Z轴垂直的平面即为X-Y平面。

在光束中取a、b两条光线为代表，图1所示为光线经小球的情形。光线在进入和离开球表面时产生折射，用黑粗线表示；同时在表面也产生部分的反射，用虚线表示。

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图1梯度光场与小球的相互作用

当小球处在一个均匀光场中，如图1（A）。均匀光场各子光束施予小球的力在横向（X-Y方向）完全抵消，但存在沿Z方向的推力，这个力称作散射力，是由被微粒反射和吸收的光作用产生的光辐射压力，其大小与入射光的强度成正比,方向与光传播方向一致方向与光传播方向一致，它趋向于使小球沿光束传播方向运动。这相当于对小球的一维散射力束缚。

当小球处在一个非均匀光场中，如图1（B）自左向右增强的光场中，在横向存在一个强度梯度。产生的结果是射到小球上的所有光束的合力在横向不再完全抵消。总的合力是把小球推向右边略偏下处。小球在这样一个非均匀的，即强度分布存在梯度的光场中所得到的是一个指向光强较强处的力。这种由于横向光场强度分布不均匀产生的力称之为横向梯度力。这是由于光的动量有了改变，产生梯度力，如图2所示。光在折射前所有的光均沿Z方向传播，即光的动量是沿Z方向的，光束经过小球发生折射，然而离开球后光传播方向有了改变，即光的动量有了改变，产生梯度力。这就是二维光学势阱对小球的二维束缚情形。

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图2 光的动量改变

实际上光镊中常用的光是高斯光束。高斯光束光强具有空间三维对称分布，是一种典型的具有梯度光场的光源。在垂直于光传播方向的平面上，光强随偏离光轴的距离增大而减小，由外向内形成光强梯度。如图3所示，一个透明介质小球处于一个高斯分布的非均匀会聚光场中。在横向，光强梯度指向光束中心；在轴向激光会聚之前，即束腰之前，光强梯度指向束腰；束腰之后，光强梯度逆光束传播方向指向束腰。小球在这样一个三维梯度光场当中，在横向上，受到指向激光焦点的回复力，即横向梯度力F g；在纵向上，受到沿光束传播方向的散射力F s和始终指向束腰的拉力，即轴向梯度力F g。若产生的梯度力大于散射力，可以克服散射力的影响,在焦点光斑中心附近产生一个稳定的光学势阱，将小球稳定束缚在该势阱内。这就是三维光学势阱对小球的稳定捕获。

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A 小球在束腰以外

B 小球在束腰以内

图3 汇聚激光与小球相互作用

在几何光学近似下,梯度力和散射力的大小分别为

F g = nPQg/c（1）

F s = nPQs/c（2）

式中n为周围介质的折射率，c为光速，P为激光功率，Qs和Qg为小于1的无量纲的系数，对于梯度力来说，Qg称为陷阱效率系数，常用它来描述光镊系统的性能。

2.2 微粒受力分析

在满足折射率和粒径大小要求的基础上，小球在光场中会受到多个力的共同作用。

首先，小球具有质量，受到重力G作用，方向竖直向下；其次，小球处于液体环境中（本实验环境为纯水），受到浮力f作用，方向竖直向上，如图4。小球有效重力相对较小，在后续的分析中可以忽略。

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