新型光镊及光镊应用24页PPT
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
光的力学效应-光镊原理及应用--《大学物理》系列讲座
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。
反卫星激光武器是一种远程战略激光武器
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r Ashkin在贝尔实验室中
光镊是什么？
光镊 -- Optical tweezers
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)。
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)
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。
光镊的原理和应用
光镊的原理和应用1. 引言光镊是一种利用光的特性实现微小物体操控的技术。
它在生物医学、纳米材料学和微机电系统等领域有着广泛的应用。
本文将介绍光镊的原理和应用，并说明其在不同领域中的重要性。
2. 光镊的原理光镊的原理基于光与物质的相互作用以及光场的调控。
通过合理设计光场分布，可以产生光势阱或光力场，从而实现对微小物体的操控。
2.1 光强梯度力当物体遇到光强梯度时，会受到光强梯度力的作用。
此力使物体沿着光束方向移动，类似于光的推动力。
通过调整光场的分布，可以形成光强梯度力，从而实现对微小物体的移动。
2.2 光兽手术光兽手术是利用光镊进行微创手术的一种技术。
通过调控光场，可以使光束在物体中产生高能量焦点，实现对微生物的精确灭活或组织切割。
此技术在眼科手术、癌症治疗等领域有着重要的应用。
3. 光镊的应用光镊在多个领域中有着广泛的应用。
下面将介绍光镊在生物医学、纳米材料学和微机电系统等领域的具体应用场景。
3.1 生物医学领域•单细胞操作：通过光镊可以对单个细胞进行操控，实现细胞的分离、聚合和操作。
这在细胞实验、组织工程和基因研究中具有重要意义。
•药物递送：光镊可以用于精确控制药物的递送。
通过光场调控，可以实现药物的定点释放，提高治疗效果并减少副作用。
•组织修复：光镊在组织修复和再生领域有着重要的应用。
通过光镊可以激活和引导干细胞的分化，促进组织的修复和再生。
3.2 纳米材料学领域•纳米粒子操控：光镊可以用于操控纳米粒子的位置和运动。
通过调控光场，可以实现对纳米粒子的定点聚集和操纵，有助于纳米材料的组装和制备。
•纳米光刻：光镊在纳米制造中的应用也非常重要。
通过调控光场，可以实现纳米尺度的加工和剖析，为纳米器件的制造提供了有效的手段。
3.3 微机电系统领域•微机械操控：光镊可以用于微机械系统中的微小物体操控。
通过调控光场，可以实现对微小机械结构的精确操控和定位，有助于微型传感器和微机械器件的研究和应用。
•光学传感：利用光镊可以实现高灵敏度和高分辨率的微小物体测量。
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
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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。
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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。
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41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利量自己知道。——苏联
新型光镊及光镊应用
1、战鼓一响，法律无声。——英国 2、任何法律的根本；不，不成文法本 身就是 讲道理 ……法 律，也 ----即 明示道 理。— —爱·科 克
3、法律是最保险的头盔。——爱·科 克 4、一个国家如果纲纪不正，其国风一 定颓败 。—— 塞内加 5、法律不能使人人平等，但是在法律 面前人 人是平 等的。 ——波 洛克