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
的数量，以计算空气的污染情况。
最高可探测到5 公里上空的空 气污染情况
二维光学势阱—光夹持
—双光束捕陷
激光制冷技术的基础
<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？
光子与物体的相互作用
激光与微小的宏观粒子(介观粒子)相互作用
光 镊 ——单光束梯度力光阱
1986 A. Ashkin 使用高度会聚激光束产生了 非均匀光场，造成梯度力势阱
第一台光镊仪器诞生了！
Arthur Ashkin在贝尔实验室中
光镊是什么？ 光镊 -- Optical tweezers
▲ 用光做的镊子？ 光镊如何抓取物体 ？ ▲ 光镊基本原理
2.光镊原理
2.3光阱力与光操纵束缚条件
光镊要在三维方向上稳定俘获住粒子首要的基本条件 就是光强的分布需要有大的光强梯度。高度聚焦的激 光束形成的激光微束就具有大的强度梯度，这样才能 产生足够的梯度力来捕获住微粒。 粒子的折射率 n2大于周围介质的折射率 n1的，这是 激光微束捕获粒子的基本条件之一 在满足上述的基本条件后，微粒能否被稳定地捕获住 还涉及物理与生物粒子方面的性质。如激光微束的光 波长、功率、束腰半径、生物微粒的大小、 球半径, 极化状态光汇聚角、吸收系数和粒子与周围介质的相 对折射率，以及球心与光轴的距离和球心与束腰的距 离等等。
(普朗克常量
-34
J· s)
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)
2.光镊原理
2.2小球受光阱力的计算方法
A.第一类粒子Mie Particle
当粒子半径R远远大于入射光波在真空中的波长
R > 5
所采用的计算方法: 采用几何光学的近似算法(射线光学模型 )
2.光镊原理
Roosen及其合作者计算出了过圆心O的合 最后可分解为Fz和Fy分量:
Fz Fs
T 2 [cos( 2 2r ) + R cos 2 ] n1 P * 1 + R cos 2 c 1 + R 2 + 2 R cos 2 r
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)
为什么我们感受不到光的压力？
单个光子动量很小: 普通光源
P ~ 10
h
27
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！
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。 达因：质量为 1 克的物体产生 1 厘米 / 秒 2 的加速度
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„„)
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。
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
激光的特点：方向性好，高亮度
第一台红宝石激光器组件
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)。
激光扫频法：
(Frequency Chirping) 朱棣文1985年所用的仪器
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。
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
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)。
T 2 [sin(2 2r ) + R s Fy Fg n 1 P R sin 2 1 + R 2 + 2R cos 2 r c *
评价：此方法计算简便。粒子尺度合适时，可以很方便讨论所 的影响。但是几何近似较为粗糙，用此方法计算，可以得到光 半径无关的错误结论。同时，它也不能计算粒子形状对光阱的 还忽略了光阱焦点处的衍射斑的大小。
从此，光的力学效应研究进入了一个全新的时代！
普通灯光与激光的比较
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 ▲ 激光与宏观物体的相互作用 mm以上级别 ---核聚变/发射微小卫星
b
Fa
O
Fb
b
F
b
a
a
a
Fb O Fa
b
F
b
a
光镊– 光陷阱-光镊操控微粒的现象 尤如宇宙黑洞或吸尘器 将微粒吸入无底的深渊。 阱域、阱深和阱力
对于微小的粒子/细胞,几十纳 米-几十微米，光的力学效应 还是非常大的。可以明显看到 光阱周边的粒子以很快的速度 /加速度坠入阱中被囚禁，操 控的速度相当的快。
2 2 0 2 r 2 / wi2 r 2/ w r2 2r 2 2
单光束梯度力阱—三维光学势阱—光镊
a
入射的高斯激光束经过大数值孔
b
激光束
径透镜聚焦后形成高度会聚的激 光束作用到小球上。当轴外光束 a和b穿过小球时被折射，其传 播方向趋向于更平行于光轴，则 光束的纵向动量变大了。
根据动量守恒定律，小球获得了
Hale Waihona Puke Fb会聚透镜f F Fa O
与光束传播方向相反的动量，即 小球受到了纵向的拉力——梯度 力。
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
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
▲ 光镊力有多大？
▲ 光镊的力学效应的应用
光镊如何抓取物体 ？
烟草细胞在
光镊的操控
下定向运动
光镊操控直径1微米粒子
三维空间
X-Y平面
Z纵方向
悬浮微粒
光镊的基本原理—散射力
a b a b
-ΔP P0 反射光 ΔP P1
Fa
Fb
Fa
Fb
二维光学势阱
I
0
z
o
r
(a) 基模高斯光束 (b) xoy平面内光强I随偏离光轴距离r的变化 图 2 高斯光束光场分布
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）,
E hv hc / λ h=6.63×10 光子动量： P h / λ hν / c E / c
光子能量： 光与物体相互作用时彼此交换能量和动量.
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
激光加工
激光打孔 激光切割
激光加工
激光焊接
激光快速成型
Laser fusion激光核聚变
可 维原控 持子制 核 秒：地 ）点在 高 火温 条下 件聚 合 亿成 度重 1
(4
上海光机所神光Ⅱ号装置
反卫星激光武器
反卫星激光武器是一种远程战略激光武器 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。
光镊能够稳定的捕获微粒的首要条件
一是光强分布具有大的梯度，高度聚焦的激光束形成的 激光微束就具有大的强度梯度，这样才能产生足够的梯度 力来捕获住微粒。 二是粒子的折射率大于周围介质的折射率，这时因为如 果，光线穿过粒子时粒子将被从光场强度高的地方推向光 场强度低的地方，粒子将被推离光场。 在满足上述的基本条件后，微粒能否被稳定地捕获住还 涉及物理与生物粒子方面的性质。如激光微束的光波长、 激光功率、束腰半径、生物微粒的大小、 球半径，极化状 态光会聚角、吸收系数和粒子与周围介质的相对折射率，以 及球心与光轴的距离和球心与束腰的距离等等。。