光学工程光镊技术.ppt

光学工程光镊技术
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第1页，本讲稿共79页
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
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光镊技术( Optical Tweezers或Laser Tr基本原理
梯度力
上面所讲的是光子对小球的压力，该压力方向沿光传播方向，这里尚未说明它形成光镊作用。那么我们先来观察处在均匀与非均匀光场中的小球的受力情况。见图1。
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图1　梯度力的形成
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图1中假设小球是透明体，这是符合实际情况的。因为大部分生物细胞的组成是水分子，特别是对脱了壁的原生质体，近乎是透明的球状体。这里还假设小球的折射率大于周围媒质的折射率,这也是符合大多数情况的。
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根据动量守恒原理，它（光线a）必须要给小球施加一个向左方向的动量，即光线a在小球内折射的结果，使小球受到一个向左的力。
同理，可以分析，由于光线b的折射，小球受到一个向右的力，在均匀场中，两力等值，其合力⊥（垂直）向下。
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对于图1 A中的均匀光场来说，光线a,b进入小球发生折射，既2次折射，这里这是折射占主要的量。从图中可知，比如对于光线a，它向右方折射。
因为光线是带有动量的，它的方向是沿着光传播的方向，可知光线a最终向右方折射，它的动量由上向下，改变为向右方，这是因为小球的折射率造成的，
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显然对于反射光也可以进行类似的分析。光线a的反射光，使小球受到向右的力，两发射光的合力是垂直向上的，即与两折射光的效果相反。但反射光的量小，不起主要作用。
同理，对于图1 B中的非均匀光场，受力分析的结果是，小球所受到的向左、向右的力并不互相抵消，总的合力把小球推向光较亮的那一个方向，图1 B是把小球推到右下方。这种由于光场强度不均匀产生的力，称之为梯度力。（由于光场大小存在梯度而产生的力）。
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进一步将该结论推广到更一般的光场强度分布，特别是存在强度最大点，即光会聚点附近时，在该区域中的粒子将受到一个指向最亮点的力。即对于粒子来说，不仅有推力，还有拉力。粒子将被束缚在最亮点。
注意，上述前提是小球折射率大于周围介质的折射率，反之，受力将相反，即光场将粒子推向最暗点。
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三、光镊基本原理
二维光学势阱
由TEM00基模高斯光束所形成的非均匀光场，是从光束中心向两侧呈梯度分布（高斯分布），在这一高斯分布的非均匀光场中的小球，将受到一个元对称的，中心最强，两侧逐渐减弱的梯度力作用，小球将被约束在基模高斯光束的中心轴线附近。
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三、光镊基本原理
二维光学势阱
小球在垂直于光线传播方向的横向平面上，受到光束缚，被推向光最强处，非均匀光场形成了一个二维光学势阱，此为二维的光钳。高斯光束可形成二维势阱，二维势阱在某些情况下可以用于捕获粒子。
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由于高斯光束的激光能量在平面是高斯分布，因而即可形成一个强的二维光学势阱。
小球在高斯光束条件下，受到一个指向光轴的力，即将小球束缚在光轴上。但小球在光轴上下方向，并未受到大的力。因此，小球可以在Z轴上下自由运动。当然小球还受到向下的重力。
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利用二维光学势阱可用于捕获粒子：图3（几个例子）
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图3 A，利用粒子受沿光束传播方向的光压与粒子自身的重力相 平衡，粒子被悬浮于某一高度。（注意光压向上，即激光从下往上照）
图3 B，利用器皿平衡粒子所受沿Z方向的光压，而固定粒子。
图3 C，选用两束相向传播的，完全相同的激光形成双光束激光势阱束缚粒子。
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二维势阱，由于在光束传播方向才能束缚粒子，并且系统较复杂，效果不理想。。
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三、光镊基本原理
单光束梯度力光阱
二维光学势阱实现了对粒子在⊥（垂直）于光传播方向上的平面内的束缚，但在光传播的Z方向，粒子一般地受向下的合力和重力（向下），因而在光轴方向仍是不稳定的。
如果光阱在光传播方向上也能产生对粒子的束缚，则可以形成一个三维的势阱，从而粒子能在光轴上的某一个位置达到平衡。
1986年，美国贝尔实