光的力學(xué)效應(yīng)-光鑷原理及應(yīng)用《大學(xué)物理》系列講座

1、 光的力學(xué)效應(yīng)光的力學(xué)效應(yīng) 光鑷原理及應(yīng)用光鑷原理及應(yīng)用朱艷英朱艷英2014.04.28 系列專題報(bào)告（二）系列專題報(bào)告（二） 1.1.光的力學(xué)效應(yīng)機(jī)理光的力學(xué)效應(yīng)機(jī)理2.2.光輻射壓力光輻射壓力光壓光壓3.3.激光的力學(xué)效應(yīng)激光的力學(xué)效應(yīng) （微觀（微觀, ,介觀介觀, ,宏觀）宏觀）4.4.光鑷光鑷光的力學(xué)效應(yīng)的典型光的力學(xué)效應(yīng)的典型5.5.光鑷原理及應(yīng)用光鑷原理及應(yīng)用 提提 綱綱 光的力學(xué)效應(yīng)？光的力學(xué)效應(yīng)？光有力量嗎？光有力量嗎？光子與物體的相互作用光子與物體的相互作用從從”光與物質(zhì)光與物質(zhì)的相互作用的相互作用”說(shuō)起說(shuō)起有？沒(méi)有？ 光的效應(yīng)光的效應(yīng): 在光的作用下，物體在宏觀上產(chǎn)生的各種

2、現(xiàn)象。在光的作用下，物體在宏觀上產(chǎn)生的各種現(xiàn)象。光的熱學(xué)效應(yīng)光的熱學(xué)效應(yīng): 光與物體相互作用時(shí)物體的溫度發(fā)生變化光與物體相互作用時(shí)物體的溫度發(fā)生變化.常見現(xiàn)象常見現(xiàn)象光的力學(xué)效應(yīng)光的力學(xué)效應(yīng): 光與物質(zhì)間交換動(dòng)量，使受光照射的物體獲得一個(gè)力或力光與物質(zhì)間交換動(dòng)量，使受光照射的物體獲得一個(gè)力或力矩，物體發(fā)生位移、速度和角度的變化矩，物體發(fā)生位移、速度和角度的變化. 難以察覺(jué)難以察覺(jué) ( (光電效應(yīng)光電效應(yīng), ,磁光效應(yīng)磁光效應(yīng), ,光化學(xué)效應(yīng)光化學(xué)效應(yīng), , 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)) 光與物質(zhì)相互作用光與物質(zhì)相互作用光的效應(yīng)光的效應(yīng) 光有波粒二向性光有波粒二向性光既有波動(dòng)性又有粒子性。光既有波動(dòng)性

3、又有粒子性。 光的粒子性光的粒子性光束可以看作是由光束可以看作是由一系列光子流一系列光子流組成。組成。 每個(gè)光子攜帶有能量和動(dòng)量（線性動(dòng)量和角動(dòng)量）每個(gè)光子攜帶有能量和動(dòng)量（線性動(dòng)量和角動(dòng)量）, 光子能量光子能量： 光子動(dòng)量光子動(dòng)量： 光與物體相互作用時(shí)彼此交換能量和動(dòng)量光與物體相互作用時(shí)彼此交換能量和動(dòng)量.cEchhP/hchvE/1.1.光的力學(xué)效應(yīng)機(jī)理光的力學(xué)效應(yīng)機(jī)理 (普朗克常量 h=6.6310-34 Js)光光-動(dòng)量動(dòng)量- - 光壓光壓-力力 2.光輻射壓力光壓17世紀(jì)，德國(guó)天文學(xué)家開普勒就猜想彗星的尾巴背向太陽(yáng)是因?yàn)槭艿教?yáng)的輻射力。 2.光輻射壓力光壓J C Maxwell:

4、“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)(波在介質(zhì)中傳播，其壓力的方向沿波的傳播方向，大小等于單位體積波的能量)P N Lebedev was the first (1901) to measure the pressure of light, confirming predictions base

5、d on Maxwells equations. He was also the first to show that this pressure is twice as great for reflecting surfaces as for absorbing surfaces. (列別捷夫1901年基于麥克斯韋方程組首次測(cè)量光壓力，該壓力一部分從物體表面反射，一部分被物體表面吸收) 單個(gè)光子動(dòng)量很小單個(gè)光子動(dòng)量很小: : 普通光源的力學(xué)效應(yīng)微乎其微！普通光源的力學(xué)效應(yīng)微乎其微！ 光子密度低，方向性差！光子密度低，方向性差！ 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和測(cè)量極其困難！實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和測(cè)量極其困難！ 為什么我們感受

6、不到光的壓力？為什么我們感受不到光的壓力？普通光源普通光源smkgPh/.1027 為什么我們感受不到光的壓力？為什么我們感受不到光的壓力？ 因?yàn)槠胀ü鈮禾∫驗(yàn)槠胀ü鈮禾?據(jù)估算，當(dāng)太陽(yáng)光垂直入射地球表面時(shí)，其光壓據(jù)估算，當(dāng)太陽(yáng)光垂直入射地球表面時(shí)，其光壓約為：約為：p = 0.5 達(dá)因達(dá)因/平方米。平方米。 達(dá)因達(dá)因：質(zhì)量為：質(zhì)量為1克的物體產(chǎn)生克的物體產(chǎn)生1厘米厘米/秒秒2的加速度的加速度所需要的力所需要的力0.00001牛頓）牛頓） 1 1達(dá)因達(dá)因/ /平方米是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的億萬(wàn)分之一平方米是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的億萬(wàn)分之一 。 激光的特點(diǎn)：方向性好，高亮度激光的特點(diǎn)：方向性好，高亮度 例如：例

7、如：10mw10mw的的 He-He-NeNe 激光，激光，亮度是太陽(yáng)的一萬(wàn)倍亮度是太陽(yáng)的一萬(wàn)倍！ 對(duì)于一臺(tái)光強(qiáng)呈高斯型分布，功率為對(duì)于一臺(tái)光強(qiáng)呈高斯型分布，功率為10mw的氦氖激光器發(fā)射的激的氦氖激光器發(fā)射的激光束，若光束發(fā)散角為光束，若光束發(fā)散角為2 ，把激光聚焦到光學(xué)衍射極限光斑，把激光聚焦到光學(xué)衍射極限光斑(約約10-8 cm)，其單位面積的，其單位面積的光功率密度將是太陽(yáng)光的光功率密度將是太陽(yáng)光的108倍倍，把一個(gè)，把一個(gè)1微米量微米量級(jí)的電介質(zhì)小球置于此氦氖激光聚焦點(diǎn)處，小球?qū)?huì)受到級(jí)的電介質(zhì)小球置于此氦氖激光聚焦點(diǎn)處，小球?qū)?huì)受到106達(dá)因的達(dá)因的輻射壓力輻射壓力，從而產(chǎn)生，從而

8、產(chǎn)生105g的加速度的加速度 (g為重力加速度為重力加速度)。 從此，光的力學(xué)效應(yīng)研究進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代！從此，光的力學(xué)效應(yīng)研究進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代！ 19601960年激光問(wèn)世年激光問(wèn)世-高的光子流密度的激光束高的光子流密度的激光束 第一臺(tái)紅寶石激光器組件第一臺(tái)紅寶石激光器組件 激光激光與與普通燈光普通燈光的比較的比較普通光源普通光源自發(fā)輻射自發(fā)輻射激光激光受激輻射受激輻射激光激光優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：高單色性，高亮度，相干性好。高單色性，高亮度，相干性好。激發(fā)光放大激發(fā)光放大或或光子復(fù)制光子復(fù)制 激光與激光與微觀微觀粒子粒子的相互作用的相互作用 -原子原子/ /分子分子 nmnm 級(jí)別級(jí)別 激光與

9、激光與微小宏觀微小宏觀( (介觀介觀) )粒子的相互作用粒子的相互作用 -納米納米/ /微米粒子微米粒子 mm 級(jí)別級(jí)別 激光與激光與宏觀物體宏觀物體的相互作用的相互作用 mmmm以上級(jí)別以上級(jí)別 -激光加工激光加工/ /核聚變核聚變/ /激光武器激光武器3.3.激光的力學(xué)效應(yīng)激光的力學(xué)效應(yīng) 原子的激光冷卻和捕陷原子的激光冷卻和捕陷S. S. 朱棣文朱棣文 ，C.C.C.C.達(dá)諾基，達(dá)諾基， W.D.W.D.菲利浦斯菲利浦斯 19971997年年 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 激光與微觀粒子的相互作用激光與微觀粒子的相互作用原子冷卻原子冷卻不停熱運(yùn)動(dòng)的原子不停熱運(yùn)動(dòng)的原子速度速度(v =104

10、 105cm/s)慢下來(lái)慢下來(lái) 原子的激光冷卻原子的激光冷卻原理圖原理圖 原子的激光冷卻原子的激光冷卻實(shí)驗(yàn)裝置圖實(shí)驗(yàn)裝置圖朱棣文朱棣文19851985年所用的儀器年所用的儀器 1985年，朱棣文用兩種不同的方法(二維光學(xué)勢(shì)阱和磁光量子阱)實(shí)現(xiàn)原子冷卻，溫度冷卻到2.410-4 開爾文(K)。 1986年光鑷的出現(xiàn)，才真正實(shí)現(xiàn)原子的三維捕獲（10-4K）激光與微觀粒子的相互作用激光與微觀粒子的相互作用 這項(xiàng)研究促進(jìn)了玻色愛(ài)因斯玻色愛(ài)因斯坦凝聚坦凝聚的研究-2001年 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)C.E.維曼， E.A.康奈爾，W.克特勒因發(fā)現(xiàn)了“堿金屬原子稀薄氣體的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚”這一新的物質(zhì)狀態(tài),原子冷

11、卻達(dá)到了絕對(duì)零度高0.5納開爾文nK的溫度。銣原子速度的分布玻色愛(ài)因斯坦凝聚玻色愛(ài)因斯坦凝聚實(shí)現(xiàn)原子復(fù)制實(shí)現(xiàn)原子復(fù)制 激光的宏觀力學(xué)效應(yīng)激光的宏觀力學(xué)效應(yīng)世界上較大激光輸出脈沖功率達(dá)世界上較大激光輸出脈沖功率達(dá)10101616w w ; ;聚焦強(qiáng)度達(dá)聚焦強(qiáng)度達(dá) 8 810101313W/cmW/cm2 2 ; ;可產(chǎn)生億度以上的高溫可產(chǎn)生億度以上的高溫, , 能焊接、加工和能焊接、加工和 切割切割最難熔的材料最難熔的材料世界上最高光壓世界上最高光壓：相應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)相應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá) 10102121w/cmw/cm2 2 ; ;相應(yīng)的相應(yīng)的光壓光壓達(dá)達(dá) 3 310101111 大氣壓大氣壓

12、 激光加工激光加工激光打孔激光打孔激光切割激光切割 激光加工激光加工激光快速成型激光快速成型激光焊接激光焊接 Laser fusion激光核聚變激光核聚變可控制地在高溫下聚合成重可控制地在高溫下聚合成重原子核：原子核：點(diǎn)火條件點(diǎn)火條件 (4(4億度億度維持維持1 1秒）秒） 上海光機(jī)所神光上海光機(jī)所神光號(hào)裝置號(hào)裝置 反衛(wèi)星激光武器發(fā)射的激光束，輻射強(qiáng)度高，能在空間、時(shí)間上，將能量高度集中，具有殺傷破壞作用。它的主要?dú)饔檬菬嵝?yīng)，即利用高溫?zé)龤Щ蛑貏?chuàng)太空中的軍用衛(wèi)星。激光束也有一定的沖擊效應(yīng)，使衛(wèi)星上的零部件損壞或者偏離軌道。 反衛(wèi)星激光武器反衛(wèi)星激光武器反衛(wèi)星激光武器是一種遠(yuǎn)程戰(zhàn)略激光武器

13、 光光 鑷鑷 單光束梯度力光阱單光束梯度力光阱 1986 A. 1986 A. AshkinAshkin 使用高度會(huì)聚激光束產(chǎn)生了使用高度會(huì)聚激光束產(chǎn)生了非均勻光場(chǎng)，造成非均勻光場(chǎng)，造成梯度力勢(shì)阱梯度力勢(shì)阱 第一臺(tái)光鑷儀器誕生了！第一臺(tái)光鑷儀器誕生了！激光與微小的宏觀粒子激光與微小的宏觀粒子(介觀粒子介觀粒子)相互作用相互作用 Arthur Ashkin在貝爾實(shí)驗(yàn)室中在貝爾實(shí)驗(yàn)室中 光鑷光鑷 - - Optical tweezers 用光做的鑷子？用光做的鑷子？ 光鑷如何抓取物體光鑷如何抓取物體 ？ 光鑷基本原理光鑷基本原理 光鑷力有多大？光鑷力有多大？ 光鑷的力學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用光鑷的力學(xué)效應(yīng)的應(yīng)

14、用光鑷是什么？光鑷是什么？ 煙草細(xì)胞在煙草細(xì)胞在光鑷的操控光鑷的操控下定向運(yùn)動(dòng)下定向運(yùn)動(dòng)光鑷如何抓取物體光鑷如何抓取物體 ？ 光鑷操控直徑光鑷操控直徑1 1微米粒子微米粒子三維空間三維空間X-YX-Y平面平面Z Z縱方向縱方向懸浮微粒懸浮微粒 光鑷的基本原理光鑷的基本原理散射力散射力 二維光學(xué)勢(shì)阱二維光學(xué)勢(shì)阱(a) 基模高斯光束基模高斯光束 (b) xoy平面內(nèi)光強(qiáng)平面內(nèi)光強(qiáng)I隨偏離光軸距離隨偏離光軸距離r的變化的變化圖圖 2 高斯光束光場(chǎng)分布高斯光束光場(chǎng)分布 二維光學(xué)勢(shì)阱二維光學(xué)勢(shì)阱-光懸浮 香港城香港城市市大大學(xué)學(xué)發(fā)明新激光雷達(dá)監(jiān)發(fā)明新激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)空氣污染系統(tǒng)測(cè)空氣污染系統(tǒng)， 其原理是其原

15、理是當(dāng)激光遇上空氣中的懸當(dāng)激光遇上空氣中的懸浮粒子時(shí)便會(huì)反射至地上。浮粒子時(shí)便會(huì)反射至地上。 地面接收器則會(huì)分析反射光束的地面接收器則會(huì)分析反射光束的數(shù)量，以計(jì)算空氣的污染情況。數(shù)量，以計(jì)算空氣的污染情況。 最高可探測(cè)到最高可探測(cè)到5 公里上空的空氣公里上空的空氣污染情況污染情況光懸浮監(jiān)測(cè)空氣污染光懸浮監(jiān)測(cè)空氣污染 二維光學(xué)勢(shì)阱光夾持 雙光束捕陷激光制冷技術(shù)的基礎(chǔ)激光制冷技術(shù)的基礎(chǔ) 單光束梯度力阱單光束梯度力阱三維光學(xué)勢(shì)阱三維光學(xué)勢(shì)阱光鑷光鑷入射的高斯激光束經(jīng)過(guò)大數(shù)值孔徑入射的高斯激光束經(jīng)過(guò)大數(shù)值孔徑透鏡聚焦后形成透鏡聚焦后形成高度會(huì)聚的激光束高度會(huì)聚的激光束作用到小球上。當(dāng)軸外光束作用到小球

16、上。當(dāng)軸外光束a和和b穿穿過(guò)小球時(shí)被折射，其傳播方向趨向過(guò)小球時(shí)被折射，其傳播方向趨向于更平行于光軸，則光束的縱向動(dòng)于更平行于光軸，則光束的縱向動(dòng)量變大了。量變大了。根據(jù)動(dòng)量守恒定律，小球獲得了與根據(jù)動(dòng)量守恒定律，小球獲得了與光束傳播方向相反的動(dòng)量，即小球光束傳播方向相反的動(dòng)量，即小球受到了縱向的拉力受到了縱向的拉力梯度力梯度力。激光斑直徑激光斑直徑mm會(huì)聚到會(huì)聚到m量級(jí)量級(jí) 單光束梯度力阱單光束梯度力阱光鑷光鑷19861986年年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Arthur Ashkin等等人發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)喂馐叨染劢沟募す饪梢苑€(wěn)定的捕人發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)喂馐叨染劢沟募す饪梢苑€(wěn)定的捕獲直徑數(shù)納米到數(shù)十

17、微米的微粒。獲直徑數(shù)納米到數(shù)十微米的微粒。首次實(shí)現(xiàn)了首次實(shí)現(xiàn)了單光束梯度力阱單光束梯度力阱，即三位，即三位光學(xué)勢(shì)阱光學(xué)勢(shì)阱，并形象的稱之為并形象的稱之為“光鑷光鑷”。 單光束梯度力阱單光束梯度力阱光鑷光鑷 光鑷操控微粒的現(xiàn)象光鑷操控微粒的現(xiàn)象尤如宇宙黑洞或吸塵器尤如宇宙黑洞或吸塵器將微粒吸入無(wú)底的深淵。將微粒吸入無(wú)底的深淵。 阱域、阱深和阱力阱域、阱深和阱力對(duì)于微小的粒子對(duì)于微小的粒子/ /細(xì)胞細(xì)胞, ,幾十納幾十納米米- -幾十微米，光的力學(xué)效應(yīng)幾十微米，光的力學(xué)效應(yīng)還是非常大的?？梢悦黠@看到還是非常大的?？梢悦黠@看到光阱周邊的粒子以很快的速度光阱周邊的粒子以很快的速度/ /加速度墜入阱中被

18、囚禁，操加速度墜入阱中被囚禁，操控的速度相當(dāng)?shù)目??？氐乃俣认喈?dāng)?shù)目?。光鑷光?光陷阱光陷阱- 一是一是光強(qiáng)分布具有大的梯度光強(qiáng)分布具有大的梯度，高度聚焦的激光束形成的，高度聚焦的激光束形成的激光微束就具有大的強(qiáng)度梯度，這樣才能產(chǎn)生足夠的梯度激光微束就具有大的強(qiáng)度梯度，這樣才能產(chǎn)生足夠的梯度力來(lái)捕獲住微粒。力來(lái)捕獲住微粒。 二是二是粒子的折射率大于周圍介質(zhì)的折射率粒子的折射率大于周圍介質(zhì)的折射率，這時(shí)因?yàn)槿?，這時(shí)因?yàn)槿绻?，光線穿過(guò)粒子時(shí)粒子將被從光場(chǎng)強(qiáng)度高的地方推向光果，光線穿過(guò)粒子時(shí)粒子將被從光場(chǎng)強(qiáng)度高的地方推向光場(chǎng)強(qiáng)度低的地方，粒子將被推離光場(chǎng)。場(chǎng)強(qiáng)度低的地方，粒子將被推離光場(chǎng)。 在滿足上述

19、的基本條件后，微粒能否被穩(wěn)定地捕獲住還在滿足上述的基本條件后，微粒能否被穩(wěn)定地捕獲住還涉及物理與生物粒子方面的性質(zhì)。如激光微束的涉及物理與生物粒子方面的性質(zhì)。如激光微束的光波長(zhǎng)、光波長(zhǎng)、激光功率、束腰半徑、生物微粒的大小、激光功率、束腰半徑、生物微粒的大小、 球半徑，極化狀球半徑，極化狀態(tài)光會(huì)聚角、吸收系數(shù)和粒子與周圍介質(zhì)的相對(duì)折射率，態(tài)光會(huì)聚角、吸收系數(shù)和粒子與周圍介質(zhì)的相對(duì)折射率，以及球心與光軸的距離和球心與束腰的距離以及球心與光軸的距離和球心與束腰的距離等等。光鑷能夠穩(wěn)定的捕獲微粒的首要條件光鑷能夠穩(wěn)定的捕獲微粒的首要條件 光鑷原理光鑷原理小球受光阱力的計(jì)算方法小球受光阱力的計(jì)算方法A.

20、第一類粒子第一類粒子Mie Particle(米氏粒子米氏粒子)當(dāng)粒子半徑當(dāng)粒子半徑R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入射光波在真空中的波長(zhǎng)射光波在真空中的波長(zhǎng) R 5 所采用的計(jì)算方法所采用的計(jì)算方法: 采用幾何光學(xué)的近似算法采用幾何光學(xué)的近似算法(射線光學(xué)模型射線光學(xué)模型 ) 光線PPR22RPTRPT22PTzyo光鑷原理光鑷原理射線光學(xué)模型射線光學(xué)模型 (Ray-Optics) 光鑷原理光鑷原理drfdFzzsin22020 米氏粒子米氏粒子所所受光阱力：受光阱力： 光鑷原理光鑷原理B.第二類粒子第二類粒子Rayleigh Particles(瑞利粒子瑞利粒子)當(dāng)粒子半徑當(dāng)粒子半徑R遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射光波

21、在真空中的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射光波在真空中的波長(zhǎng)R /20所采用的計(jì)算方法：所采用的計(jì)算方法： 用用瑞利散射的理論瑞利散射的理論進(jìn)行近似計(jì)算進(jìn)行近似計(jì)算 光鑷原理光鑷原理 光鑷原理光鑷原理C.第三類粒子（第三類粒子（ R ）介觀粒子）介觀粒子在實(shí)驗(yàn)中，由于尺度與波長(zhǎng)相近的粒子易被很牢在實(shí)驗(yàn)中，由于尺度與波長(zhǎng)相近的粒子易被很牢固地捕捉。所以我們經(jīng)常用這樣的粒子作為探測(cè)固地捕捉。所以我們經(jīng)常用這樣的粒子作為探測(cè)對(duì)象，去研究我們感興趣的微觀現(xiàn)象。對(duì)象，去研究我們感興趣的微觀現(xiàn)象。但很不幸，在此尺度內(nèi)但很不幸，在此尺度內(nèi)(介觀領(lǐng)域介觀領(lǐng)域)，我們?nèi)鄙倥c，我們?nèi)鄙倥c之相配的理論，這就給我們帶來(lái)了數(shù)值計(jì)算上的

22、之相配的理論，這就給我們帶來(lái)了數(shù)值計(jì)算上的困難。困難。 光鑷原理光鑷原理C.第三類粒子（第三類粒子（ R ）介觀粒子）介觀粒子近年來(lái)理論發(fā)展的方向是，將光阱中光的散射過(guò)程視為近年來(lái)理論發(fā)展的方向是，將光阱中光的散射過(guò)程視為電磁散射問(wèn)題，則通過(guò)求解電磁散射問(wèn)題，則通過(guò)求解麥克斯韋方程麥克斯韋方程就可以求解光就可以求解光的散射場(chǎng)。的散射場(chǎng)。在電磁場(chǎng)計(jì)算領(lǐng)域，求解麥克斯韋方程有多種數(shù)值方法在電磁場(chǎng)計(jì)算領(lǐng)域，求解麥克斯韋方程有多種數(shù)值方法：有限元法（有限元法（Finite Element Method ) ，有限微分時(shí)，有限微分時(shí)域算法域算法(FDTD)又叫時(shí)域有限差分法又叫時(shí)域有限差分法，離散偶極子

23、近似算，離散偶極子近似算法法(Discrete Dipole Approximation)，T矩陣算法（矩陣算法（T-matrix method）等等等等 光鑷原理光鑷原理 光鑷原理光鑷原理 光鑷原理光鑷原理 光鑷光鑷基本操控方法基本操控方法直接直接操控操控- -微米粒子微米粒子 間接間接操控操控- -納米粒子納米粒子 光鑷操縱微粒的尺度：納米光鑷操縱微粒的尺度：納米- -微米微米1nm 1 m 1mm1nm 1 m 1mm原子、分子尺度原子、分子尺度 ATM STM納微尺度納微尺度光鑷光鑷宏觀物體宏觀物體一般機(jī)械一般機(jī)械 fNfN（1010-15-15N N）- -pNpN（1010-12-

24、12N） 1 1 fNfN/ /人人 X60X60億億 - 1- 1根發(fā)絲根發(fā)絲 -細(xì)胞，單分子間的相互作用力細(xì)胞，單分子間的相互作用力 傳遞微小力的使者傳遞微小力的使者 -微小力的探針！微小力的探針！ 光鑷力有多大光鑷力有多大 ？ 光鑷光鑷- 一種特殊的光場(chǎng)形成的光學(xué)勢(shì)阱，它是用光形成的鑷子一種特殊的光場(chǎng)形成的光學(xué)勢(shì)阱，它是用光形成的鑷子! ! 光鑷具有機(jī)械鑷子抓取物體的功能，是類比機(jī)械鑷子形象稱呼。光鑷具有機(jī)械鑷子抓取物體的功能，是類比機(jī)械鑷子形象稱呼。 光鑷光鑷/ / 光學(xué)鑷子光學(xué)鑷子/ / 光學(xué)勢(shì)阱光學(xué)勢(shì)阱/ / 三維光學(xué)勢(shì)阱三維光學(xué)勢(shì)阱/ / 單光束梯度力勢(shì)阱單光束梯度力勢(shì)阱 研究個(gè)

25、體行為的工具！研究個(gè)體行為的工具！自然界，一切宏觀現(xiàn)象都是大量個(gè)體行為的群體效應(yīng)，而自然界，一切宏觀現(xiàn)象都是大量個(gè)體行為的群體效應(yīng)，而光鑷能夠?qū)嵤?duì)單個(gè)微粒光鑷能夠?qū)嵤?duì)單個(gè)微粒( (細(xì)胞或大分子細(xì)胞或大分子) )的操控。的操控。(1)(1)對(duì)對(duì)單個(gè)活體生物單個(gè)活體生物以以非接觸非接觸的遙控方式，實(shí)施的遙控方式，實(shí)施無(wú)損無(wú)菌無(wú)損無(wú)菌操操控；實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤、進(jìn)行微小力的測(cè)量?？?；實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤、進(jìn)行微小力的測(cè)量。(2)(2) 光鑷可以光鑷可以穿過(guò)透明封閉系統(tǒng)穿過(guò)透明封閉系統(tǒng)的表層（細(xì)胞膜）操控其內(nèi)的表層（細(xì)胞膜）操控其內(nèi)部微粒（細(xì)胞器），也可以部微粒（細(xì)胞器），也可以透過(guò)封閉的樣品池透過(guò)封閉的樣品池

26、的外壁，操控池的外壁，操控池內(nèi)微粒，實(shí)現(xiàn)真正的內(nèi)微粒，實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)菌操作無(wú)菌操作。使得光鑷有。使得光鑷有隔墻取物隔墻取物之功之功能。能。(3)(3)光鑷是微小力的探針，光鑷是微小力的探針，類似彈簧類似彈簧，是極其靈敏的是極其靈敏的力傳感力傳感器器。光鑷的特點(diǎn)光鑷的特點(diǎn) 一是一是光強(qiáng)分布具有大的梯度光強(qiáng)分布具有大的梯度，經(jīng)過(guò)大數(shù)值孔徑，經(jīng)過(guò)大數(shù)值孔徑的透鏡聚焦的激光束可以滿足這一條件。的透鏡聚焦的激光束可以滿足這一條件。 二是二是粒子的折射率大于周圍介質(zhì)的折射率粒子的折射率大于周圍介質(zhì)的折射率，這，這時(shí)因?yàn)槿绻?，光線穿過(guò)粒子時(shí)粒子將被從光場(chǎng)強(qiáng)時(shí)因?yàn)槿绻?，光線穿過(guò)粒子時(shí)粒子將被從光場(chǎng)強(qiáng)度高的地方推

27、向光場(chǎng)強(qiáng)度低的地方，粒子將被推度高的地方推向光場(chǎng)強(qiáng)度低的地方，粒子將被推離光場(chǎng)。離光場(chǎng)。 光鑷能夠穩(wěn)定的捕獲微粒的首要條件光鑷能夠穩(wěn)定的捕獲微粒的首要條件 生命科學(xué)生命科學(xué)- -操控，動(dòng)力學(xué)研究操控，動(dòng)力學(xué)研究 解讀生命運(yùn)動(dòng)規(guī)律解讀生命運(yùn)動(dòng)規(guī)律 微納器件微納器件- -操控，排布，組裝，表征操控，排布，組裝，表征 新材料和功能器件制造新材料和功能器件制造 分散體系分散體系- -微粒間相互作用微粒間相互作用 宏觀現(xiàn)象的微觀機(jī)理探索宏觀現(xiàn)象的微觀機(jī)理探索 光力學(xué)教學(xué)光力學(xué)教學(xué)線性動(dòng)量，角動(dòng)量線性動(dòng)量，角動(dòng)量 認(rèn)知光的基本屬性認(rèn)知光的基本屬性光鑷的應(yīng)用光鑷的應(yīng)用 光鑷的應(yīng)用原生原生質(zhì)體的質(zhì)體的融合融合

28、單個(gè)活單個(gè)活力精細(xì)力精細(xì)胞研究胞研究激光激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)誘導(dǎo)轉(zhuǎn)基因基因抗體抗抗體抗原結(jié)合原結(jié)合強(qiáng)度強(qiáng)度分選分選單條染單條染色體色體細(xì)胞膜細(xì)胞膜彈性的彈性的測(cè)量測(cè)量分散分散體系的體系的研究研究納米納米生物學(xué)的生物學(xué)的研究研究微粒微粒的空間的空間排布排布教學(xué)教學(xué)研究研究光鑷的應(yīng)用研究光鑷的應(yīng)用研究 運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)-位移位移/ /速度速度， -力力，大小大小/ /方向，方向， -結(jié)合結(jié)合/ /分離分離 -相互作用相互作用 特性特性-結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)和功能 力學(xué)量是表征生命過(guò)程的重要參量！力學(xué)量是表征生命過(guò)程的重要參量！ 單分子水平上探索生命運(yùn)動(dòng)的規(guī)律！單分子水平上探索生命運(yùn)動(dòng)的規(guī)律！生命過(guò)程生命過(guò)程運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)力力光

29、鑷應(yīng)用光鑷應(yīng)用生物大分子的動(dòng)力學(xué)研究生物大分子的動(dòng)力學(xué)研究 國(guó)際前沿發(fā)展趨勢(shì)國(guó)際前沿發(fā)展趨勢(shì) 光鑷技術(shù)更多的是用于研究生物大分子光鑷技術(shù)更多的是用于研究生物大分子 十幾年來(lái)已突破了許多十幾年來(lái)已突破了許多“禁區(qū)禁區(qū)”人類首次實(shí)際測(cè)人類首次實(shí)際測(cè)量到由化學(xué)能轉(zhuǎn)量到由化學(xué)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的原變成機(jī)械能的原動(dòng)力動(dòng)力肌肉運(yùn)動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)的原始動(dòng)力過(guò)程的原始動(dòng)力過(guò)程驅(qū)動(dòng)蛋白分子吸收一個(gè)驅(qū)動(dòng)蛋白分子吸收一個(gè)ATP能量后的分布運(yùn)動(dòng)狀能量后的分布運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)為態(tài)，運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)為8納米。納米。 國(guó)際研究成果舉例國(guó)際研究成果舉例NatureNature 刊登報(bào)道：刊登報(bào)道：生物大分子生物大分子 精細(xì)操作精細(xì)操作 雙光

30、鑷對(duì)雙光鑷對(duì)肌動(dòng)蛋白肌動(dòng)蛋白進(jìn)行進(jìn)行打結(jié)打結(jié) 國(guó)際研究成果舉例國(guó)際研究成果舉例Science刊登報(bào)道：刊登報(bào)道：光鑷控制粘有光鑷控制粘有肌動(dòng)蛋白的小肌動(dòng)蛋白的小球接觸微管球接觸微管,研研究其運(yùn)動(dòng)特性究其運(yùn)動(dòng)特性. 光鑷研究光鑷研究DNADNA折疊動(dòng)力學(xué)過(guò)程折疊動(dòng)力學(xué)過(guò)程 研究研究光 阱微 抗生素蛋白生物素 球DNA-體復(fù)合物抗體蛋白殼G微 球移液器(A)驗(yàn)裝置實(shí)(B)定里反 模式恒饋(C)反饋 式無(wú)模光鑷已成為研究光鑷已成為研究DNADNA動(dòng)力學(xué)的不可或缺的工具動(dòng)力學(xué)的不可或缺的工具國(guó)際研究成果舉例國(guó)際研究成果舉例 電介質(zhì) 球小微 針光 阱光鑷研究光鑷研究DNADNA的縮合及解開的縮合及解開 光鑷已成為研究光鑷已成為研究DNADNA動(dòng)力學(xué)的不可或缺的工具動(dòng)力學(xué)的不可或缺的工具國(guó)際研究成果舉例國(guó)際研究成果舉例 光鑷牽拉血紅細(xì)胞膜光鑷牽拉血紅細(xì)胞膜/ /形狀由橢圓變成橄欖型形狀由橢圓變成橄欖型 光鑷研究細(xì)胞膜實(shí)驗(yàn)方法光鑷研究細(xì)胞膜實(shí)驗(yàn)方法 細(xì)胞膜彈性的測(cè)量細(xì)胞膜彈性的測(cè)量 煙草