光力学效应-光镊原理与应用 《大学物理》系列讲座
光电镊的原理范文
光电镊的原理范文光电镊是一种基于光电效应的仪器，通过利用光子的能量来控制和操作微小物体。
它常常被用于微机电系统(MEMS)、纳米技术和生物医学领域。
本文将详细介绍光电镊的原理。
光电镊的原理基于光电效应，光电效应是指当光照射到材料表面时，光子的能量可以被材料中的电子吸收，从而使得电子获得足够的能量从材料中脱离。
这个现象由爱因斯坦在1905年首次提出，并且为他赢得了诺贝尔物理学奖。
光电镊通常由两个主要部分组成：光学系统和控制系统。
光学系统由一束激光器和一套光学器件组成，用来产生聚焦的光束。
控制系统通过控制激光器的功率、频率和聚焦光束的位置来实现对物体的操作。
这两个部分密切协作，使得光电镊能够实现高精度和高效率的操作。
具体来说，当激光器发出激光束后，它会经过一系列的光学器件，如透镜和光栅，来聚焦成一个非常小的点。
这个点的大小由入射光束的焦距以及透镜的孔径决定。
光束聚焦后，它的能量密度变高，这是因为原本较大的激光面积被聚焦到一个很小的点上。
这个过程类似于用放大镜来聚焦太阳光照射在一块纸上，可以导致纸燃烧的现象。
当物体放置到激光束的焦点位置时，光电效应发生。
光子的能量被吸收，使得物体表面的电子获得足够的能量从原子中脱离。
这些脱离的电子会产生电荷，导致物体表面带电。
通过控制光束的功率和位置，可以在纳米尺度上控制和操作物体。
控制系统通过调节激光器的功率、频率和聚焦光束的位置来实现对物体的操作。
激光器的功率可以调节激光束的能量密度，从而控制光电效应的强度。
激光器的频率可以调节光束的颜色，不同颜色的光束对物体的光电效应有不同的影响。
聚焦光束的位置可以通过调节透镜的位置实现，使得光束能够准确地照射到物体的表面。
光电镊具有很多优点：高分辨率、高精度、非接触性和对物体的无损操作。
与传统的机械夹具相比，光电镊可以实现对微小物体的高精度操作，不会对物体造成损坏。
此外，它还可以在真空环境下和生物体内进行操作。
光电镊已经在很多领域得到应用，如微电子装备、纳米加工和细胞操作。
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。
光镊原理的应用
光镊原理的应用1. 光镊的定义光镊是一种利用光的特性来控制微观对象的工具。
它利用激光束的聚焦效应，将光束聚焦成一个非常小的光点，并利用光的压阻力或光子的冲击力对微观对象进行操作和控制。
2. 光镊的工作原理光镊的工作原理主要基于下列两个重要效应：2.1 光阱效应光阱效应是指激光束在介质中发生折射、散射等现象，从而形成一种类似于势阱的光学场景。
当微观对象进入光阱时，会受到光的压阻力，并被限制在光束的焦点区域内。
2.2 光压效应光压效应是指光子在物体表面产生的反冲作用力。
当激光束聚焦到微观对象表面时，光子的冲击力会使微观对象受到推动或操纵。
3. 光镊的应用领域3.1 生物学研究光镊在生物学研究中得到广泛应用。
它可以用于操纵和植入细胞，进行单细胞操作、细胞捕获和分类，以及光学镊切、拉伸等细胞操作技术。
3.2 纳米技术在纳米技术领域，光镊可以用于纳米粒子的操纵、定位和组装。
通过调整激光的参数，可以精确控制纳米粒子的位置和方向。
3.3 光学通信在光学通信领域，光镊可以用于对光纤进行修复和调整。
通过调整激光的焦距和功率，可以精确控制光纤中的光信号。
3.4 物理学研究光镊在物理学研究中也扮演着重要角色。
它可以用于单个原子和分子的操作和操纵，以及量子态的控制和测量。
4. 光镊的优势和局限性4.1 优势•光镊可以对微观对象进行非接触式操作，避免了对样品的污染和损伤。
•光镊具有高空间分辨率和灵活的操纵能力，可以实现高精度的操作和控制。
•光镊可以在不同环境中工作，适用于各种复杂样品。
4.2 局限性•光镊在操纵微观对象时受限于光的传播特性，操作范围较小。
•光镊的操纵效果受到光源和光学系统的限制，需要高质量的光源和光学器件。
5. 总结光镊作为一种利用光的特性进行微观操纵和控制的工具，在生物学研究、纳米技术、光学通信和物理学研究等领域都有广泛的应用。
它具有非接触式操作、高空间分辨率和灵活的操纵能力等优势，但也存在操作范围较小和光源、光学器件的限制等局限性。
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。
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。
(完整word版)光镊原理
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。
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。
光的力学效应-光镊原理及应用--《大学物理》系列讲座-(2)
将粒子视为电偶极子（electric dipole）
应用电偶极子对电磁波的散射理论计算散射力
1 8 n2 4 m 2 Fscat ( z, r ) k a 6 2 S ( z, rT ) 3 c m + 2
2
应用感应电偶极子受洛仑兹力计算梯度力
/ wi2 1 Pw (z + z0 )e 2r 8n2 a m 2 w 2r 2 × Fgrad (z, r) 2 2 i c m + 2 zR iw6 3
2.光镊原理
B.第二类粒子Rayleigh Particles
当粒子半径R远远小于入射光波在真空中的波长
1 R< 20
所采用的计算方法：用瑞利散射的理论进行近似计算
2.光镊原理
评价：此方法在计算过程中采取了种种 如：认为粒子不影响光波的传播，光波 中不考虑散射光；认为瞬间的入射光在 个边界上是常量等等。这些近似都是建 足够小的前提下的。因此，此方法仅适 子（几十纳米尺度）
激光斑直径mm会聚到μm量级
b
a
单光束梯度力阱—光镊
1986年，美国贝尔实验室的Arthur Ashkin等
人发现：单光束高度聚焦的激光可以稳定的捕
获直径数纳米到数十微米的微粒。 并形象的称之为“光镊”。
首次实现了单光束梯度力阱，即三位光学势阱，
单光束梯度力阱—光镊
a
b
F
Fb
O
a
Fa
二维光学势阱---光悬浮
光悬浮监测空气污染
香港城市大学发明新激光雷达 监测空气污染系统， 其原理是当激光遇上空气中的 悬浮粒子时便会反射至地上。 地面接收器则会分析反射光束
E
大学物理实验--光的力学效应系列实验
光的力学效应-系列实验主要内容 (1)一光的力学效应－历史与未来 (2)二光镊技术 (4)三创建光的力学效应教学实验的意义 (14)四光的线性动量实验 (16)五实验小结 (24)六结束语 (24)主要内容光的力学效应？光有力量吗？光子与物体的相互作用光携带有能量和动量（线性动量和角动量）,光与物体相互作用时彼此交换能量和动量.光子能量:υhE=光子动量:λ/hP=光的动量是光的基本属性之一。
光与人类生活的关系非常密切，伴随科学的发展和人类文明的进步，人们对光的认识也越来越深入。
光与物质相互作用—光的效应光的效应:在光的作用下，物体宏观上产生的各种现象光的热学效应:光与物体相互作用时物体的温度发生变化.—常见现象光的力学效应:光与物质间交换动量，使受光照射的物体获得一个力或力矩,物体发生位移,速度和角度的变化. —难以察觉(光电效应,磁光效应,光化学效应, …)本讲光的力学效应主要内容安排:一. 光的力学效应－历史与未来1. 光-动量-光压-力2. 普通光和激光的力学效应3. 激光的力学效应 (微观,界观,宏观)4.光镊--光的力学效应的典型二. 光镊技术1. 原理-单光束梯度力光阱2. 特点和功能3. 应用列举三.创建光的力学效应系列实验的意义1. 线性动量2. 角动量四.光的线性动量实验1. 实验预习和基础2. 实验内容五.结束语一. 光的力学效应－历史与未来光---动量--- 光压---力1616年开普勒---提出光压的概念从光的粒子性观念出发---具有一定动量的光子入射到物体上时无论是被吸收或反射，光子的动量都会发生变化，因而必然会有力作用在物体上，这种作用力我们通常称为光压。
康普顿效应历史上，康普顿效应是光子学说的重要实验依据，也是光子具有动量的直接证明。
典型的例子有X光的康普顿散射。
1923年美国物理学家康普顿在研究X射线光子与自由电子之间的弹性碰撞，解释了实验观察到的各种现象。
在这一弹性碰撞过程中，光子与电子相互作用，不仅要遵循能量守恒定律，而且要遵循动量守恒定律。
光的力学效应-光镊原理及应用--《大学物理》系列讲座PPT74页
39、没有不老的誓，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
光的力学效应-光镊原理及应用--《大 学物理》系列讲座
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
试述OT的实验的原理及应用
试述OT的实验的原理及应用OT（Optical Tweezers，光镊）是一种基于激光束的技术，利用光束对微小物体施加的光强梯度力可将其捕获、操纵及测量。
光镊技术具有极高的精度和灵活性，已在生物医学领域、物理学领域、纳米技术领域等多个领域得到广泛应用。
光镊技术的实验原理是利用激光束对微观物体施加光强梯度力。
当激光束通过具有高折射率和低吸收率的微观物体时，会在物体两侧形成光强梯度。
在光强梯度的作用下，微观物体会朝向光强较高的位置移动。
具体来说，激光束通过一块物质时，光线会一部分被反射，一部分被折射，形成驻波光场。
当微观物体位于驻波光场中心，所受总光学力为零；当微观物体发生偏离时，物体受到光束形成光强梯度力的作用，从而被拉向较强光强区域，最终位置恢复到中心位置。
光镊技术的应用非常广泛。
在生物医学领域，光镊技术可用于单个细胞或细胞内器官的操纵和研究。
通过捕获和操纵细胞，可以研究细胞的力学性质、运动机制以及细胞内分子的相互作用。
同时，光镊技术还可用于研究细胞力的传递和生物流变学等领域。
例如，可以在一个细胞上施加力，观察其对相邻细胞的影响。
此外，光镊还可以用于分析DNA、RNA和蛋白质等分子的物理性质和相互作用，有助于揭示生物分子的结构和功能。
除了生物医学领域，光镊技术也在物理学研究中得到广泛应用。
例如，在凝聚态物理学研究中可以利用光镊技术探索微观粒子间的相互作用力，研究纳米材料的力学性质以及物质间的相互作用。
通过调节光束的参数，可以控制和操纵微观粒子的运动和排列，进而研究凝聚态物理学中的多体现象。
此外，光镊技术还可用于研究和操作纳米材料，如碳纳米管、纳米颗粒等。
光镊技术在纳米技术中也有广泛的应用。
由于光镊技术的高精度和灵活性，它可用于纳米加工和纳米装配。
例如，通过光镊技术可以将多个纳米粒子组装起来构造纳米器件，如纳米电路和纳米机器人。
此外，光镊还可以用于纳米材料的表征和研究。
通过操纵纳米颗粒的运动，可以了解其形态和性质。
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。
光学工程光镊技术PPT课件
主要内容
• 引言 • 研究进展 • 光镊基本原理 • 光镊实验装置 • 应用成果与展望
12
第12页/共80页
T 3W / 8kr
• r：小球半径，K：水中传导率，W：小球获得的功率。经计算，上述同样的功率 （微瓦）下，小球的温升只有1℃，可以承受。
• 还应当注意，光摄利用的是光线在小球上的折射效应，而不是吸收效应。这在下面的 受力分析中进一步明确。而这里要说明的是光子确实可以对小球形成压力。
第30页/共80页
31
实际上，图4A中，光照在粒子上还有不少散射，散射光的合成 动量向上，则粒子受到向下的力，散射力将粒子向光传播方向 推。但散射力小于折射光线产生的力。对图4B也可作类似分析。 总之，粒子所受的轴向梯度力在Z轴方向上可能是拉力，也可 能是推力。使粒子处于平衡位置。当然粒子如果不处在平面的 平衡位置，还可能被拉（推）向平面的光轴位置。
②与机械镊子相比，它是一种温和的、非机械接 触的方式来夹持和操作物体
③尤为重要，在以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几何中心的可能， 尤如微粒被吸光器吸入，或一个飞行物体坠入宇宙黑洞 样，光镊具有“引力”效应。同时光镊又象一个陷阱。
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引言
同时，“光镊”实际上是以宏观机械镊子 对光的势阱效应的一种形象和通俗的描绘。 对“光镊”的物理性质，人们采用“光学势 垒”“光捕获阱”“光梯度力阱”或“光字 势阱”等物理术语予以描述。
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。
激光光镊技术及其应用
激光光镊技术及其应用陈 君传统的机械镊子夹持物体时必须用镊尖接触物体,然后施加一定压力,物体才能被夹住。
而光镊则不同,它是基于光的力学效应使物体受到光束的束缚,然后通过移动光束来迁移或翻转物体。
与机械镊子相比,光镊夹持和操纵物体的方式是温和而非机械接触的,能够无损伤地捕获和操作微小的活细胞及纳米量级的颗粒。
光镊为研究微观世界提供了一种新手段,可以预见,在21世纪,作为纳米科技和生命科学领域得力工具的光镊技术必将具有广阔的应用前景,也必将成为本研究领域不可或缺的技术手段之一。
一、激光光镊的渊源与特点激光光镊技术早期也称为激光捕获技术,它利用聚焦的激光束夹起并操纵细胞、细菌或原子等尺度约在几纳米到几十微米之间的微粒。
早在1969年,光镊技术的发明人贝尔实验室的阿什金(A.Ashkin )就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(当微粒的折射率大于周围介质折射率时)。
在研究了这两种现象之后,他又利用相对传播的两束激光实现了双光束光阱。
1970年,他利用多光束激光的三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。
1985年,阿什金开始采用单光束夹持细菌、病毒等微小生物体,并在1987年利用1064纳米的红外激光成功夹起病毒。
但由于活性体对可视波段激光具有强烈的吸收作用,因此早期实验在对细菌的操作过程中存在活细胞损伤的问题,后来阿什金发现红外光对大多数生物细胞和有机体是相对透明的,所以为了避免损伤活细胞组织,在用于大多数生物研究的光镊装置中以800～950纳米的红外激光配合一定的功率操作。
光镊自诞生以来已在微米尺度量级的粒子操控和粒子间相互作用的研究中发挥了重要作用,成为这一尺度微粒的特有操控研究设备。
由于它是用“无形”的光束来实现非机械接触弹性捕获微粒,因此不会对样品产生机械损伤,又由于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,是“遥控”操作,因而几乎不干扰粒子的周围环境。
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。
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激光与微观粒子的相互作用
原子的激光冷却和捕陷 S. 朱棣文 ，C.C.达诺基， W.D.菲利浦斯 1997年 诺贝尔物理学奖
原子冷却——不停热运动的原子 速度(v =104~ 105cm/s)慢下来
原子的激光冷却—原理图
光子与物体的相互作用
光与物质相互作用—光的效应
光的效应:
在光的作用下，物体在宏观上产生的各种现象。
光的热学效应:
光与物体相互作用时物体的温度发生变化.—常见现象
光的力学效应:
光与物质间交换动量，使受光照射的物体获得一个力或力 矩，物体发生位移、速度和角度的变化. —难以察觉
(光电效应,磁光效应,光化学效应, 康普顿效应……)
光与物体相互作用时彼此交换能量和动量.
光---动量--- 光压---力
2.光辐射压力—光压
17世纪，德国天文学家 开普勒就猜想彗星的尾 巴背向太阳是因为受到 太阳的辐射力。
2.光辐射压力—光压
J C Maxwell: “In a medium in which waves are propagated there is a pressure in the direction normal to the wave, and numerically equal to the energy contained in unit of volume”(1873)——(波在介质中 传播，其压力的方向沿波的传播方向，大 小等于单位体积波的能量)
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)。
激光加工
激光打孔
激光切割
激光加工
激光快速成型
激光焊接
Laser fusion激光核聚变
(4 1
可
维原控
持子制
秒 ）
核 ： 点
地 在 高
火温
条下
件聚
合
亿 度
成 重
上海光机所神光Ⅱ号装置
反卫星激光武器
反卫星激光武器发射 的激光束，辐射强度高 ，能在空间、时间上， 将能量高度集中，具有 杀伤破坏作用。它的主 要杀伤作用是热效应， 即利用高温烧毁或重创 太空中的军用卫星。激 光束也有一定的冲击效 应，使卫星上的零部件 损坏或者偏离轨道。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
<大学物理>系列专题报告（二）
光的力学效应
—光镊原理及应用
朱艳英
2014.04.28
提纲
1.光的力学效应机理 2.光辐射压力——光压 3.激光的力学效应 （微观,介观,宏观） 4.光镊——光的力学效应的典型 5.光镊原理及应用
光的力学效应？ 光有力量吗？
从”光与物质 的相互作用” 说起……
有？没有？
六束各向同 性激光辐射 与具有热速 度分布原子 气体冷却
原子的激光冷却—实验装置图
激光扫频法：
(Frequency Chirping)
基本思想是让冷却激 光的频率连续跟随原 子多普勒频移的变化 ，持续保持共振。
朱棣文1985年所用的仪器
这种方法在使用中得到了发展，成功地将原子束减速。
激光与微观粒子的相互作用
为什么我们感受不到光的压力？
单个光子动量很小:
P
h
~ 1027 kg.m / s
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！
普通光源
为什么我们感受不到光的压力？
——因为普通光压太小
据估算，当太阳光垂直入射地球表面时，其光压 约为：p = 0.5 达因/平方米。
1.光的力学效应机理
光有波粒二向性——光既有波动性又有粒子性。 光的粒子性——光束可以看作是由一系列光子流组成。 每个光子携带有能量和动量（线性动量和角动量）,
光子能量： E hv hc / λ
(普朗克常量 h=6.63×10-34 J·s)
光子动量： P h / λ hν / c E / c
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)
铷原子速度的分布 玻色－爱因斯坦凝聚
实现原子复制
激光的宏观力学效应
世界上较大激光输出脉冲功率达1016w ; 聚焦强度达 8×1013W/cm2 ; 可产生亿度以上的高温, 能焊接、加工和 切割 最难熔的材料 世界上最高光压： 相应的电场强度可达 1021w/cm2 ; 相应的光压达 3×1011 大气压
从此，光的力学效应研究进入了一个全新的时代！
激光与普通灯光的比较
普通光源——自发辐射
激光——受激辐射
激发光放大 或光子复制
激光优点：高单色性，高亮度，相干性好。
3.激光的力学效应
▲ 激光与微观粒子的相互作用 ---原子/分子 nm 级别
▲ 激光与微小宏观(介观)粒子的相互作用 ---纳米/微米粒子 μm 级别