光镊原理教学提纲
近代物理实验-光镊实验
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。
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。
激光光镊技术的原理应用及发展
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。
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。
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
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2.光镊原理
C.第三类粒子（ R ~
的粒子
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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：
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。
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。
光学实验教案03激光陷阱(光镊)
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。
实验十二光镊子与微操作
实验十二光镊子与微操作实验十二光镊子与微操作一.实验目的光具有能量和动量，光的动量是光的基本属性。
携带动量的光与物质相互作用，它们间会有动量的交换，从而表现为光对物体施加一力，作用在物体上的力就等于光引起的单位时间内物体动量的改变。
并由此可引起的物体的位移，速度状况的变化，我们称之为光的力学效应。
显然，研究光的力学效应对认识光的基本属性以及如何运用光的力学效应具有重要的学术意义。
但是，由于单个光子动量很小，普通光源的力学效应微乎其微，人们研究光的力学性质受到了很大限制。
历来的物理学教科书对光具有动量这一重要属性仅作简短的知识介绍，也一直没有一个合适的教学实验，来演示光具有动量这一基本属性，来展示光的力学效应和它的应用前景。
从对光的认识和物理教学体系来讲这无疑是一个非常大的缺憾。
60年代初激光的发明，使人类将光的利用推到一个崭新的阶段。
有了激光这种高亮度的新光源，光的力学效应开始显示其强大的生命力。
人们开始对光的辐射压力和光的力学效应进行全面和深入的研究。
70年代，朱棣文等人利用光压原理发展了用激光冷却和幽禁原子的方法，获得了1997年度诺贝尔物理学奖。
这一研究成果也为荣获2001年度诺贝尔物理学奖的玻色－爱因斯坦凝聚方面的工作提供了有效的实验手段。
与此同时，人们也在探索光对微小的宏观粒子的力学效应。
1986 年，A.Ashkin 等成功地利用一束强汇聚激光束实现了对生物微粒的三维捕获。
这一发明被形象地称为光阱或光镊。
成了这一尺度范围的粒子特有的操控和研究手段。
十多年来，光镊不但在生命科学领域，在其它涉及微小宏观粒子的研究领域都取得了重要应用。
光的力学效应的研究又有了新的突破。
激光力学应用非常之广，涉及到物理、化学、材料、机械、生物、医药等领域。
激光力学已成为多学科交叉的基础。
利用光的力学效应，开拓学科交叉，也是 21 世际跨学科研究的前沿领域。
科学发展已赋予光力学新的内涵和意义，需要我们在教学中，进一步阐明光具有动量，光与物质相互作用会产生力学效应，以及这种力学效应的巨大应用前景。
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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。
1901年，俄国人П.Н.列别捷夫用悬在细丝下的悬体实现了光压的实验测量【15】。
此后，美国物理学家尼克尔、霍尔也精品文档．精品文档分别测量了光压【16】。
20世纪70年代，人们开始研究激光的辐射压力，并发展了原子束的激光偏转【17】、激光冷却【18】、光子粘团【19】等实验技术。
在宏观微粒的光压力研究方面，由光悬浮发展到光捕获、光致旋转等【20】。
1970年，A.Ashkin【21】首次实现了水溶液中的光悬浮。
随后的一些研究【22-25】最终导致了光镊的发明。
通常光对物体的作用力都是推力。
但是，在一定条件下光也可以对物体产生拉力，或更一般的，产生束缚力。
这就牵涉到光对物体作用的梯度力。
为了阐明梯度力的概念，以透明介质所示，一个透明小球为例说明。
如图1.1介质小球处于一个高斯分布的非均匀会聚光场中，小球的折射率大于周围介质的折射率。
当会聚激光束照射到微粒上时，激光发生折射和反射，也包括一部分吸收。
被微粒反射和吸收的光作用就是光辐射压力，或者称散射力，其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。
与此同时，光束经过微粒会发生多次折射，有些会聚光线折射后传播方向更趋从而增大了向于光轴（即光束传播方向），轴向动量，因而给与微粒与光传播方向相反的作用力，表现为拉力，这就是轴向梯单光束梯度力光阱图 1.1而导致粒子在轴向可以稳定在激光焦点附近。
度力的本质，由于此拉力的作用，即微粒在横向的偏离，由于光场的非均匀性，也会受到指向激光焦点的回复力，微粒被稳定束缚在激光焦点附近。
横向梯度力。
在梯度力和散射力的共同作用下，这就是单光束梯度力光阱。
光镊技术的特点1.2.2因为它与宏观的机械镊子具有相光镊是对单光束梯度力光阱的形象的称呼，或者与传统的操控微纳米粒子似的操控物体的功能。
但与宏观的机械镊子相比，光镊对微粒的的显微微针或原子力显微镜等相比，光镊具有不可比拟的优越性。
精品文档．精品文档操控是非接触的遥控方式，不会给对象造成机械损伤。
这使得光镊在生物学研究特别是单细胞单分子研究领域应用非常合适。
首先，光镊捕获微粒的尺度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。
其次，光镊的温和操控不会损失细胞，虽然激光会产生热，但可以通过选择合适的波长，避开细胞对光的吸收波长，将热效应降到最低。
另外，由于大部分细胞膜是透明的，光可以穿过细胞膜操控细胞内部微粒，这是其他操控手段无法做到的。
光镊不仅可以操控微粒，还可以进行微小力的测量，粒子偏离捕获中心的距离和其受到的回复力成正比，类似与弹簧，在操控过程中能实时感应俘获粒子的微小负荷。
因此，光镊是极其灵敏的力传感器，其作为微小力的探针，可以进行细胞和生物大分子之间的相互作用的定量测量，进一步揭示细胞的功能以及活动规律。
3.2 单个光镊的光路设计在我们设计的纳米光镊系统中将配备多个光镊。
而每个光镊的光路设计都遵循相同的设计要求。
即激光束从光源出射开始，到通过物镜形成光镊，中间所经过的耦合光路，要保证物镜输出的光束会聚度最大、像差最小，形成的光镊捕获效果最好。
为此要求物镜后瞳能被光束完全充满，以便提高光镊捕获性能。
本节以HeNe激光光镊为例，详细讨论单个光镊的光路设计。
光镊光路示意图HeNe图3.2：激光光镊的光路简图。
我们采用的倒置显微镜的光路为无穷HeNe图3.2为显微镜中有个固定在镜体内的远系统，因此激光进入物镜后瞳时应是平行光束。
它必须作为光镊系统中的一部分参与到光路设。
150mm透镜－焦距的辅助透镜T 计中。
所许可的最大NA为了得到尽可能大的激光束会聚度，即油浸物镜数值孔径精品文档．精品文档会聚角度，激光器输出的光束必须被扩束，以满足耦合光路对光束直径的要求。
当物镜像侧的孔径（后瞳）被高斯光束恰当地照明时，光束将会被聚焦为衍射极??2??1.27??可得为126度，由限的焦斑。
物镜出射光束的理想会聚角度???00?为363nm。
理想束腰0HeNeL2组成）扩束器。
和本装置中使用了一个（如图3.2,由透镜L1?10该光束被焦。
6.5mm激光器发出的激光束直径为0.65mm，经过扩束后光束直径为CCDC距250mm的透镜L3会聚到物平面的共轭面（该平面的位置为显微镜左侧的度二向色反射镜反接收靶面的位置）上，然后通过CCD通道进入显微镜，被45在物的后瞳，后，变换为合适直径的平行光束进入物镜O射，再经过辅助透镜T 镜的物平面形成会聚点，在该点附近形成了光镊。
我们还需要考虑下在实际光路的设计中，除了要保证物镜后瞳被光束充满，为了保证被捕获的微粒能够清晰成像到观测列情况：阱位与焦点位置并不一致。
而使阱位落在物平面上。
激光束经过物镜后的会聚点应适当偏离物平面，平面上，上，通常被捕获微粒的比重大于周围液体因此要求阱位也即物平面在焦点之内。
面描述的光路和元件参数就是基于这样的考虑，经过实验测量确定的。
光束的扩束情况，使激光束经过扩束镜后并不是平HeNe我们改变了光路中之间的距离也被改变，并不严格等于该两枚透和辅助透镜T行光束，而透镜L3，稍6mm镜的焦距之和。
最后到达物镜后瞳处的激光束并不平行，光斑直径约为保证了被捕获样品的清晰成大于物镜后瞳（5mm光束的焦点落在物平面之外，）。
并且由于进入物镜后瞳的像。
保证了被捕获样品的成像状态和光镊的捕获性能，物镜后瞳依然能保持充满，光斑稍大，这就使得当入射激光束有少许偏转的时候，光镊性能受到的影响较小。
光路中还也是为了在必要时对阱位作横向调节，出于光镊光路调整的需要，必要时可通过对扩束镜同样，左右二维调整的反射镜。
插入了两个可进行俯仰、这些将在中透镜位置的纵向调节实现光镊阱位在纵向的移动，（激光传播方向）后文中进行详细介绍。
3.3 多光镊的光路设计精品文档．精品文档在多光镊系统的设计中，耦合光路要能地将多个光镊有机地耦合在一起，而不影响它们的独立操控。
目前所使用的多光镊装置，可以分为两大类。
第一，单光镊的分时复用：这种方式是在单光镊的基础上，在光镊中加入［7，8］。
一个光学扫描部件，使单光镊依次反复在多个位置间进行快速的切换每一个位置都按次序使用激光光源的一个时间片段。
例如：光镊在初始位置捕获一个微粒，然后迅速地切换位置，在另一个位置抓住第二个微粒。
按这种方式，当光镊经过若干位置后，重又回到原来的位置，只要切换速度足够快，第一个微粒还没有来得及脱离光镊捕获区域，因此又会被重新稳定在捕获位置。
如此反复即实现了光镊的分时复用。
这种方式的机械复杂度较高，使用的时候在光镊扫描的路线上都可以实现捕获，即可以实现多个微粒的捕获；微粒间的距离不易准确控制，不易实现光镊间相对的复杂操作。
第二，多光束实现多光镊：这种方法思路简单，每个光镊都由独立的光束形成。
实现方法主要有如下几种：1．对某一激光束进行分束，可以是能量分束或偏振分束。
能量分束是将激光束按照能量比例分成多束。
不过由于它们来源于同一激光束，分束后的激光具有好的相干性，容易发生干涉，对光捕获不利。
偏［5］。
这种方法简单易行、能量振分束是将激光束分成偏振方向互相垂直的二束光损耗低，得到的二束偏振光之间无干涉效应，并且也可以通过光学器件对分束后两束偏振光的能量比进行连续调节。
该方法形成的双光镊稳定，但最多只能形成两个光镊；2．对同一激光束作位相变换，使激光束波前形成所需要的分布，最［9，10］。
后可以在光场内形成多个光镊目前已有科研人员采用液晶位相变换器实现［11,12］，光镊数量可以达到上百个。
这种方法适应范围广，但代价较高；了多光镊3．用多个激光器形成多个光镊，即采用不同波长的激光器。
这对光学器件镀膜的要求较高，而且增大了光路的复杂度，因此不宜采用过多的不同波长激光。
我们采用偏振分束和不同波长激光两种方法相结合来实现三光镊装置。
图3.3为设计简图。
作为基本设置，三个光镊既可以协同实现单个刚性微粒在空间的准确定位与定向；也可以用二个光镊操控一线形大分子、第三个光镊操控单个微粒，研究它们间的相互作用；也可以独立操控三个微粒，研究它们的相互作用。
三个光镊可以同时操作，也可以相对操作，它们的相互配合能够实现各种复杂的精品文档．精品文档操作组合，足以满足实际应用中的不同需求。
（在设计上也为今后扩展为具备更多个光镊的系统作了考虑。
）：多光镊光路简图图3.3810nmHeNe激光和波长为的我们研制的纳米光镊装置使用了波长632.8nm激光形成的光镊主要用于定量测量，的半导体激光二种不同波长的激光源。
HeNe 通常是固定不动的。
其光路已在前小节讨论，这里不再赘述。
另二个光镊由同一个半导体激光器输出的激光经偏振分束后的双光束分别以调节光束中两个互相810nm的半波片，形成。
激光束先经过一个可连续旋转的即可通过旋转该半波片改变分束后双光束的功率垂直的线偏振分量的相对强弱，分成水平偏振和垂直偏振两束线偏振激）然后激光束被偏振分束棱镜（PBS1比。