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(dichroic

mirror) ; 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)。

2.放入物鏡，調整物鏡位置使雷射光束經過物鏡後光束輪廓對稱且中心位

置仍與未放物鏡前相同。

3.放入兩個平凸透鏡，將鹵素燈光聚於物鏡前。

4.固定樣本於移動平台上，將CCD放置在距物鏡背面約160mm處，確

認得到合理輪廓與對稱的粒子影像。

5.放入適當焦距的聚焦透鏡於適當位置(固定在單向移動式平台)，使得雷

射光束在距物鏡背面160mm處聚焦，且確認進入物鏡前的雷射光束大

小和物鏡背面孔鏡大小相同。注意透鏡反射光需與入射光束重合。

6.接著可以準備捕捉微米粒子。最基本的需求是雷射光束中心在光軸上且

光束與光軸平行，滿足上述的雷射光經物鏡後光束輪廓對稱且光束中心

位置不變。一個訣竅是注意水平與垂直方向的調整是互相影響。因此，

為了校直光束的水平位置與方向，可同時調整兩面鏡的水平旋轉鈕。

7.重複步驟6 改調整垂直方向旋轉鈕。

8.最後沿著雷射光軸調整聚焦透鏡位置(單向移動式平台)，使得光鑷子的

光束焦點與顯微鏡的焦點在同一位置。通常，我們會將光束焦點落在蓋

玻片內，捕捉到的粒子將受到往蓋玻片內面方向的拉力。這種捕捉方

式，往往造成粒子被釘在玻片上。

9.完成上述狀況後，再將聚焦透鏡往物鏡方向推進，光束焦點將深入水溶

液中。

註1.因為低於3μm粒子的密度約等於水，所以粒子將緩慢沉澱。為了捕捉更大的粒子，我們需使用水-甘油混合溶液作為溶劑。

六、問題

1.請估算1μm粒子所受到的重力並與光鑷子能產生的最大恢復力的理論

值作比較

2.測量由二極體雷射發出的光束直徑與物鏡背面孔徑，推算出所需使用聚

焦透鏡的焦距

七、參考資料

1.John Bechhoefer, Scott Wilson, “Faster,cheaper,safer optical tweezers for

the undergraduate laboratory,” Am.J.phys.70,393-400(2002)

2.Stephen P. Smith, Sameer R. Bhalotra, Anne L. Brody, Benjamin L. Brown,

Edward K.Boyda, and Mara Prentiss, “Inexpensive optical tweezers for

undergraduate laboratories,” Am.J.phys.67,26-35(1999).

3. D. N. Moothoo,J.Arlt, R. S. Conroy,F. Akerboom, A. V oit, and K. Dholakia,

”Beth’s experiment using optical tweezers,” Am. J. Phys.69.271-276(2001)