實(shí)驗(yàn)一光的力學(xué)效應(yīng)及光阱PN力的測(cè)量

1、實(shí)驗(yàn)一 光的力學(xué)效應(yīng)及光阱PN力的測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募由顚?duì)光具有動(dòng)量基本屬性的認(rèn)識(shí)，感知光的力學(xué)效應(yīng)，了解光鑷技術(shù)。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、光陷阱效應(yīng)2、光鑷在橫向（ XY 平面）操控微粒3、光鑷在縱向（ Z 軸方向）操控微粒4、光鑷最大橫向阱力的測(cè)量三、實(shí)驗(yàn)原理光作用于物體時(shí)， 將施加一個(gè)力到物體上。 由于光輻射對(duì)物體產(chǎn)生的力常常表現(xiàn)為壓力， 因而通常稱之為輻射壓力或簡稱光壓。 然而， 在特定的光場(chǎng)分布下， 光對(duì)物體也可產(chǎn)生一拉 力。從而有可能某種特定光場(chǎng)來形成束縛粒子的勢(shì)阱。我們以透明電介質(zhì)小球作模型來討論光與物體的相互作用。 若小球的大小明顯大于光波 長，可以采用幾何光學(xué)近似。設(shè)小球的折射率n1

2、大于周圍媒質(zhì)的折射率 n2。首先考慮一束平行光與小球的相互作用。如圖所示，當(dāng)一束光穿過小球時(shí)，光在進(jìn)入 和離開球表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生折射（黑粗線表示） 。在圖示的情形，入射光沿 Z 方向傳播，即光的 動(dòng)量是沿 Z 方向的。 然而，離開球的光傳播方向有了改變，也即光的動(dòng)量有了改變。圖中畫 出了光束中代表性的兩條光線 a和b。由于動(dòng)量守恒，這些光傳遞給球一個(gè)與它們動(dòng)量改變 等值，但方向相反的一個(gè)動(dòng)量（圖中的空心線） 。與之相應(yīng)的有力 Fa和Fb施加在小球上。 小球受到的光對(duì)它的作用力就是光束中所有光線作用于小球的力之和。若入射光束截面上光強(qiáng)是均勻的，則各小光束（光線）給予小球的力在橫向（XY方向）將完全抵

3、消。但有一沿 Z方向的推力。如果小球處在一個(gè)非均勻光場(chǎng)中， 沿Z方向傳播，自左向右光強(qiáng)增大的光場(chǎng)。 與左邊的 光線 a 相比，右邊較強(qiáng)的光線 b 作用于小球，使小球獲得較大的動(dòng)量，從而產(chǎn)生較大的力 Fb。結(jié)果總的合力在橫向不再平衡， 而是把小球推向右邊光強(qiáng)處。 小球在這樣一個(gè)非均勻 （即 強(qiáng)度分布存在梯度）的光場(chǎng)中所得到的指向光強(qiáng)強(qiáng)的地方的力稱之為梯度力（Fg）。如果光束中間光強(qiáng)大，粒子將趨向于這一區(qū)域，也即在橫向被捕獲了。上面的情形，都存在一個(gè)軸向（Z方向）的推力。要用一束光同時(shí)實(shí)現(xiàn)橫向和軸向（或 縱向）的捕獲，還必須要有拉力。實(shí)際上，上述光場(chǎng)力（梯度力）指向光場(chǎng)強(qiáng)度大的地方這 一結(jié)論，可以

4、推廣到更一般的光場(chǎng)強(qiáng)度分布的情形。所謂光鑷， 即單光束梯度力光阱， 就是由一束強(qiáng)會(huì)聚的激光束構(gòu)成的。 在這樣的光場(chǎng)中， 粒子（其折射率 ni大于周圍煤質(zhì)的折射率 n2）將受到一指向光最強(qiáng)點(diǎn)（焦點(diǎn)）的梯度力。 也就是說光對(duì)粒子不僅有推力還可以有拉力。這樣，粒子就可能被約束在光最亮點(diǎn)附近。高度會(huì)聚的光束錐，經(jīng)小球折射，將施加一梯度力在小球上。設(shè)小球的折射率為n,液體的折射率為ni，當(dāng)nni時(shí)，一對(duì)典型的光線 a和b經(jīng)折射后產(chǎn)生力 Fa和Fb，它們的矢量 和是指向焦點(diǎn)f的。實(shí)際上，光錐中所有光線施加在小球上的合力 F也是指向焦點(diǎn)f的。當(dāng) 小球的球心0和焦點(diǎn)f間有偏離時(shí)，合力F總是使小球趨向焦點(diǎn)。 實(shí)

5、際上，當(dāng)光穿過小球時(shí)，在小球表面也產(chǎn)生一定的反射，這將施加一推力于小球，此力常稱之為散射力(Fs)。只有F = Fg + Fs ）。光阱主散射力總是沿光線方焦點(diǎn)附近的梯度力大于散射力時(shí)才能形成一個(gè)三維光學(xué)勢(shì)阱而穩(wěn)定地捕獲微粒。也就是說， 這樣的光束可以像鑷子一樣夾持微粒，移動(dòng)并操控微粒。綜上所述，透明微粒在光場(chǎng)中受到的力包括梯度力和散射力( 要是依靠光梯度力形成的。穩(wěn)定的捕獲是梯度力和散射力平衡的結(jié)果。向推跑微粒，而梯度力則是把微粒拉向激光的聚焦點(diǎn)處。光阱力測(cè)量使用流體力學(xué)的斯托克斯公式F =6二：R。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1光鑷光源2光學(xué)耦合器3自動(dòng)樣品臺(tái) 4雙色分束鏡5聚焦物鏡(NA1.25)6樣品

6、池7聚光鏡8照明光源9反射鏡10.數(shù)碼攝象頭11.計(jì)算機(jī)主機(jī)12.顯示器 實(shí)驗(yàn)中所用的樣品有很大的挑選余地。只要對(duì)所用的激光吸收很小，折射率比周圍液體的小，尺度在微米量級(jí)就可以。我們實(shí)驗(yàn)中用的是懸浮于液體中的1-3微米的聚本乙烯小球或4-5微米的酵母細(xì)胞。五、實(shí)驗(yàn)步驟(1) .樣品池中注入適量樣品(3卩m聚苯乙烯小球、4卩m酵母細(xì)胞或7卩m血紅細(xì)胞)。(2) .開啟激光，設(shè)定某一光強(qiáng)/電流值。使用光阱捕獲樣品中的一個(gè)微粒。(3) .緩慢打開閥門，使樣品池中液體的流速慢慢增加。(4) .邊增加流速邊觀察，記下樣品被沖走時(shí)的流速值。(5) .重復(fù)1-4步驟，控制流速從 40-160微米/秒，每40

7、微米/秒測(cè)量一次。(6) .記錄實(shí)驗(yàn)前和實(shí)驗(yàn)后的水溫。查表得粘滯系數(shù)n。：根據(jù)斯托克斯公式求出阱力的大小。粘滯系數(shù)與溫度的關(guān)系溫度3103?n溫度3103?n溫度3103?n溫度3103?nt C2N/ m ? st C2N/ m ? st C2N/ m ? st C2N/ m ? s01.792151.140300.801450.59951.519201.005350.723500.549101.308250.894400.656600.469六、思考題1光捕獲微粒，基于什么原理，如何從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)。2說明影響光阱捕獲效果的因素。3試定性說明強(qiáng)會(huì)聚的光束對(duì)于實(shí)現(xiàn)Z方向捕獲的作用。4若光阱同時(shí)捕

8、獲了 2個(gè)球形微粒，則這 2個(gè)微粒最可能以什么形式排列，為什么?5試說明光阱技術(shù)的特點(diǎn)，你將利用光阱技術(shù)在那些領(lǐng)域開展工作。實(shí)驗(yàn)二 有機(jī)化合物的紫外吸收光譜及溶劑性質(zhì)對(duì)吸收光譜的影響一、實(shí)驗(yàn)原理具有不飽和結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物，如芳香族化合物，在紫外區(qū)(200400 nm)有特征的吸收，為有機(jī)化合物的鑒定提供了有用的信息。紫外吸收光譜定性的方法是比較未知物與已知純樣在相同條件下繪制的吸 收光譜，或?qū)⒗L制的未知物吸收光譜與標(biāo)準(zhǔn)譜圖(如Sadtler紫外光譜圖)相比較，若兩光譜圖的 鬲ax和Kmax相同，表明它們是同一有機(jī)化合物。極性溶劑對(duì)有 機(jī)物的紫外吸收光譜的吸收峰波長、強(qiáng)度及形狀有一定的影響。溶劑

9、極性增加， 使nf n *躍遷產(chǎn)生的吸收帶藍(lán)移，而nn *躍遷產(chǎn)生的吸收帶紅移。二、儀器與試劑1 儀器f4500型紫外一可見分光光度計(jì)，帶蓋石英吸收池 2只(1cm)。 2試劑(1)苯、乙醇、正己烷、氯仿、丁酮。(2)異亞丙基丙酮分別用水、氯仿、正己烷配成濃度為0.4 gL-1的溶液。三、實(shí)驗(yàn)步驟1苯的吸收光譜的測(cè)繪在1 cm的石英吸收池中，加人兩滴苯，加蓋，用手心溫?zé)嵛粘氐撞科蹋?在紫外分光光度計(jì)上，以空白石英吸收池為參比，從 220360 nm范圍內(nèi)進(jìn)行 波長掃描，繪制吸收光譜。確定峰值波長。2乙醇中雜質(zhì)苯的檢查用l cm石英吸收池，以乙醇為參比溶液，在 230280 nm波長范圍內(nèi)測(cè)

10、繪 乙醇試樣的吸收光譜，并確定是否存在苯的B 吸收帶?3溶劑性質(zhì)對(duì)紫外吸收光譜的影響(1) 在 3支5 mL帶塞比色管中，各加入0.02 mL，丁酮，分別用去離子水、乙醇、氯仿稀釋至刻度，搖勻。用 1 cm 石英吸收池，以各自的溶劑為參比，在 220350 nm波長范圍內(nèi)測(cè)繪各溶液的吸收光譜。比較它們的2max的變化，并加以解釋。(2) 在 3支10 mL帶塞比色管中，分別加入0.20 mL異亞丙基丙酮，并分別用水、氯仿、正己烷稀釋至刻度，搖勻。用1 cm石英吸收池，以相應(yīng)的溶劑為 參比，測(cè)繪各溶液在200350 nm范圍內(nèi)的吸收光譜，比較各吸收光譜；max的變 化，并加以解釋。四、注意事項(xiàng)

11、1石英吸收池每換一種溶液或溶劑必須清洗干凈，并用被測(cè)溶液或參比液蕩洗三次。 2本實(shí)驗(yàn)所用試劑均應(yīng)為光譜純或經(jīng)提純處理。五、思考題 1分子中哪類電子躍遷會(huì)產(chǎn)生紫外吸收光譜 ?2 .為什么極性溶劑有助于nf n *躍遷向短波方向移動(dòng)?而 nn *躍遷向 長波方向移動(dòng) ?實(shí)驗(yàn)三透射光譜法測(cè)量物質(zhì)吸光特性一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夤鈻殴庾V儀原理，掌握物質(zhì)透射光譜測(cè)量方法，掌握Lambert Beer定理計(jì)算物質(zhì)吸光度、比消光系數(shù)以及吸收系數(shù)的原理二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容了解光柵光譜儀（Ocen Optics USB2000 & HR2000 ）原理，利用光譜儀測(cè)量不同物 質(zhì)透射光譜，根據(jù) Lambert Beer定理計(jì)算物

12、質(zhì)吸光度，比消光系數(shù)以及吸收系數(shù)，觀察不 同物質(zhì)吸收性質(zhì)。三、實(shí)驗(yàn)原理測(cè)量物質(zhì)的吸光特性首先要測(cè)量物質(zhì)的透射光譜，對(duì)于具有均勻的吸收粒子分布的 純吸收樣品，平行光在其中傳播，薄層樣品所吸收的輻射能或輻射強(qiáng)度百分?jǐn)?shù)依賴于吸收物 質(zhì)以及入射波長和吸收層的厚度，公式表達(dá)為：OD =lg 10 ，（ ）* C*l通常稱為 Lambert Beer定理。吸光度定義為A = lni ，:-定義為比消光系數(shù)，U丿八* ln10 P稱為吸收系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中利用光譜儀可以測(cè)量不同樣品的透射光譜，觀察不同樣品的吸收峰， 同時(shí)采樣得到樣品不同波長下的透射光強(qiáng)， 與參考光強(qiáng)進(jìn)行比較，利用 Lambert Beer定理即可

13、得到樣 品的吸光度等信息。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1， HR2000高分辨率微型光纖光譜儀技術(shù)指標(biāo)：波長范圍：350nm 1000nm ;分辨率：0.065nm;光纖連接器：SMA905連接單股光纖（0.22NA）；數(shù)據(jù)傳送率：每 13ms全掃描到存儲(chǔ)器；積分時(shí)間：3ms到65s。光譜儀采用光柵分光與 CCD檢測(cè)器，進(jìn)行波長分辨得到光譜。結(jié)構(gòu)如下圖所示具體組件： 1、 SMA 連接器， 2、狹逢， 3、濾波器， 4、準(zhǔn)直鏡， 5、光柵， 6、聚焦鏡， 7、L2 探測(cè)器采集透鏡組， 8、 CCD 探測(cè)器（紫外或可見）2，LS-1 鹵鎢光源是白光源（ VIS-NIR 范圍內(nèi)： 360nm 2um）3，CV-Q-10 樣品池 3.5ml ，10mm4， 印度墨水溶液，伊文思藍(lán)溶液，純凈水五、實(shí)驗(yàn)步驟1， 用光纖連接光源樣品池，以及樣品池光譜儀2， 封鎖光譜儀光路測(cè)量暗光