基于自组型光镊的梯度光场与基本参数实验
近代物理实验-光镊实验
光镊实验姓名：xxx 班级：21级xxxxxx实验班学号：xxxxxxxxxx 一、实验目的：（1）了解光的力学效应；（2）了解共焦实验光路的原理和搭建要求；（3）掌握微颗粒的光学捕获技巧，准备含2μｍ或５μｍ的SiO2 微粒的微纳样品腔，并通过显微镜及显示器成像，观测其中SiO2微粒的布朗运动。
（4）掌握光镊力的计算。
二、实验原理：1.光镊基础原理：（1）光具有波粒二象性，因此其既具有能量也具有（内禀）角动量与线动量，以此其可以与粒子碰撞，发生散射，由此通过光束可以对粒子进行力的相互作用，这也是光镊的基础之一。
（2）光阱力的构成：梯度力：来自介质当中，具有电偶极矩的小球在非均匀电磁场当中由于电磁场两点间存在梯度差，因此粒子会受到梯度力作用，这将使粒子朝向光功率密度最大，即场强最大的点运动。
散射力：光在与介质中的粒子发生散射时，粒子与光子碰撞获得动量，这会产生冲量具有力的相互作用使粒子朝向光传播的方向运动。
图1.几何光学机制下光阱力的受力分析原理图（微粒远大于波长）几何光学机制：对于直径远大于激光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理论来解释，如图1.所示，（a）中微粒使得光发生散射，同时反冲力使微粒向焦点运动，其他两个同理，由此可以通过控制光束焦点位置来控制微粒的前后左右移动以实现对粒子的操控。
若颗粒在横向方向（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，使微粒趋向激光光束焦点处。
该作用力与光阱效率、激光功率成正比。
如图2.所示，当一束强高斯激光汇聚到一个透明微粒处，若周围介质的折射率效应微粒的折射率，微粒都会被激光束所产生的梯度力推向具有最强光场强度，即焦点处；同时微粒与光相互作用时，微粒还会受到散射力的作用，当散射力与梯度力平衡时，微粒即可被稳定捕获。
图2.单光阱光镊原理图2．光镊系统的组成光镊实验系统通常由激光光源、激光扩束滤波光路、光镊移动控制环节、位移检测部分和传统的光学显微镜等组成。
第五组——光镊技术的新应用剖析
光镊技术的新应用纪美伶，白中博，王娜，马学进（西安交通大学生物医学工程）摘要激光光镊自从1986年发明以来，作为一种无直接接触、无损伤、可产生和检测微小力以及精确测量微小位移的物理学工具，在生命科学等多个领域得到了广泛的应用。
本文从光镊的诞生出发，简要讨论了光镊的原理，光镊装置的基本结构，并简要介绍了各个种类光镊的独特功能以及基于光镊的一些新技术，进而对光镊技术及其在生命科学中的应用现状和进一步发展作了评述和讨论，阐述了光镊在生命科学研究中的潜在地位和巨大的发展前景。
关键词光镊；生命科学；原理；基本结构；应用现状；发展New Applications of Optical TweezerJi Mei-ling,Bai Zhong-bo,Wang Na,Ma Xue-jinAbstract The optical tweezer technique has emerged as a flexible and powerful tool for exploring a variety of scientific processes such as life science since it was invented in 1986. From the birth of the optical tweezer, this paper will briefly discuss its working principle, its basic structure and introduce some kinds of optical tweezers with novel features or some new technologies based on it. Then its recent developments on both the technology and applications in life science will be reviewed. It is shown that optical tweezer will have great potential in life science.Key words：optical tweezer; life science; principle; basic structure; application; development光镊简介一百年前，爱因斯坦提出的光量子学说最终导致了激光的诞生，20世纪60年代激光器的发明，使光与物质相互作用产生的力学效应真正走向实际的应用。
光镊技术实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 了解光镊技术的基本原理和操作方法；2. 掌握光镊在操控微小物体中的应用；3. 分析实验数据，评估光镊技术的性能。
二、实验原理光镊技术是一种利用光力捕获和操控微小物体的技术。
其基本原理是：当光束照射到微小物体上时，由于物体对光的吸收、散射和折射，光束会发生偏折，从而对物体产生光压。
通过调节光束的强度、方向和聚焦位置，可以实现对微小物体的捕获、操控和定位。
三、实验仪器与材料1. 光源：He-Ne激光器；2. 光路调节系统：包括光束扩展器、光束分割器、光束聚焦器、光束导向器等；3. 操控平台：包括光镊、样品台、摄像头等；4. 样品：直径为5μm的玻璃球；5. 计算机软件：用于数据采集、处理和分析。
四、实验步骤1. 准备实验仪器，包括光源、光路调节系统、操控平台等；2. 将He-Ne激光器调至最佳工作状态，输出稳定的激光束；3. 通过光路调节系统，将激光束聚焦至样品台上的玻璃球；4. 调节光束聚焦位置，使光束与玻璃球接触；5. 观察玻璃球在光镊作用下的运动情况，并记录相关数据；6. 分析实验数据，评估光镊技术的性能。
五、实验结果与分析1. 光镊对玻璃球的捕获在实验过程中，当光束聚焦至玻璃球上时，玻璃球被成功捕获。
在光镊作用下，玻璃球在样品台上做往返运动，运动轨迹基本呈直线。
这表明光镊能够有效地捕获微小物体。
2. 光镊对玻璃球的操控通过调节光束聚焦位置和强度，可以实现对玻璃球的操控。
在实验中，我们观察到以下现象：（1）当光束聚焦位置在玻璃球上方时，玻璃球向上运动；（2）当光束聚焦位置在玻璃球下方时，玻璃球向下运动；（3）当光束聚焦位置在玻璃球侧面时，玻璃球沿光束方向运动。
这表明光镊能够实现对微小物体的精确操控。
3. 实验数据与分析根据实验数据，我们可以得出以下结论：（1）光镊技术能够有效地捕获和操控微小物体；（2）光镊的操控精度较高，能够实现对微小物体的精确定位；（3）光镊技术在操控微小物体方面具有广泛的应用前景。
光学实验教案03激光陷阱(光镊)
实验三激光陷阱(光镊)一、实验目的：了解基模(TEM 00)高斯光束的力学效应,了解激光陷阱的基本原理,了解形成激光陷阱的实验方法,计算陷阱光斑的大小和指向中心力的大小。
二、实验原理：激光陷阱的形成是利用基模(TEM 00)高斯光束力学效应的原理。
一旦微小的粒子（如生物细胞或固体微粒）落入阱中将会被束缚而难逃脱。
高斯光束在与光轴垂直的横截面上的光强分布为高斯函数。
光束中心光强最大，远离光束中心，光强将迅速减弱。
当位于光轴附近的微小粒子与高斯光束相互作用时，就受到由于光强梯度分布而产生的力的作用。
当透明粒子的折射率大于周围介质的折射率时，这个梯度力指向光轴，于是便形成一个以光轴为中心的二维光学势阱，粒子将被束缚在光轴上。
由于在光轴方向仍然存在轴向推力，故二维势阱不能完全把粒子束缚在一个点上，粒子在轴向力的作用下将沿着光轴传播的方向运动。
在实验上采用强聚焦的高斯光束，使得束腰半径w 0足够小，在光轴方向也形成一个光强梯度分布，即产生一个指向焦点（束腰w 0）处的强度梯度力。
这个力可以抵消粒子所受到的轴向推力，从而在激光焦点附近产生一个稳定的力学平衡点，最终形成一个三维的光学势阱。
利用这个激光势阱就能够俘获单个生物活体等微小（宏观）粒子。
当粒子被束缚在光阱中时，操纵载物台，可对粒子进行相对移动。
因此，这种具有特殊功能的光学势阱又被称为激光陷阱、激光光钳或光学镊子。
激光陷阱有许多潜在的用途，尤其可实现对单个活细胞、亚细胞结构进行动态观察，为细胞生物学提供一种新的有效研究手段。
当粒子在垂直于光轴方向上，例如y 方向上，偏离光轴时,粒子则受到指向光轴的力F （y ）。
F （y ）与折射率n 有关，n 越大则F （y ）越大，且在n >1.2时对粒子的束缚是稳固的。
粒子在y 方向上的受力要比光轴方向大10倍以上。
根据实验结果，粒子在偏离光轴0.02ρ(ρ为粒子的半径)时,指向光轴中心的力达到最大值F max (y)。
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
生命科学研究中的光镊技术
３
虽然处理光与微粒相互作用，严格地说，应该用 光的电磁理论，特别是对尺寸小于光波长的粒子。这 里为了阐明梯度力的概念，形象地揭示出光是如何产 生对微粒的束缚力的，我们以透明介质小球为对象， 采用几何光学近似来考察光穿过介质小球的行为和分 析光作用于物体的力。对于几微米的小球来说，几何 光学模型是合适的近似。
光是一种特殊的物质，它与人类生活的关系非 常密切，伴随着人类文明的发展，人们对光的认识也 越来越深入。光携带有能量和动量，光与物质相互作 用时彼此交换能量和动量，产生各种效应。人们由日 常的经验很容易认识到光携带有能量，光与物质相 互作用使物体的温度升高， 称之为光的热学效应，比 如最重要的天然光源太阳，它的辐射带给地球热能；
Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｗｅｅｚｅｒｓ ｉｎ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ｌｉ Ｙｉｎ－ｍｅｉ Ｌｏｕ Ｌｉ－ｒｅｎ
（Ｕｎｉｖｅｒｉｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｈｉｎａ， Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｈｅｆｅｉ ２３００２６， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｏｐｔｉｃａｌ ｔｗｅｅｚｅｒｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｈａｖｅ ｇａｉｎｅｄ ｇｒｅａｔ ｓｕｃｃｅｓｓ ｓｉｎｃｅ ｉｔ ｗａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ １８ ｙｅａｒｓ ａｇｏ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗｉｌｌ ｂｒｉｅｆｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓ ｉｔｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌｉｇｈｔ， ｉｔｓ ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｎｏｖｅｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ， ｔｈｅｎ ｉｔｓ ｒｅｃｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｎ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｌｉｆｅ ｓｃｉｅｎｃｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ． Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｗｅｅｚｅｒｓ ｗｉｌｌ ｈａｖｅ ｇｒｅａｔ ｐｏｔｅｎｔｉａｌｉ ｎｌ ｉｆｅｓ ｃｉｅｎｃｅ．
(完整word版)光镊原理
1.1光镊技术简介光镊是以激光的力学效应为基础的一种物理工具，是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的【4】.1969年,A. Ashkin等首次实现了激光驱动微米粒子的实验。
此后他又发现微粒会在横向被吸入光束（微粒的折射率大于周围介质的折射率）.在对这两种现象研究的基础上,Ashkin提出了利用光压操纵微粒的思想，并用两束相向照射的激光，首次实现了对水溶液中玻璃小球的捕获，建立了第一套利用光压操纵微粒的工具。
1986年，A. Ashkin 等人又发现，单独一束强聚焦的激光束就足以形成三维稳定的光学势阱,可以吸引微粒并把它局限在焦点附近，于是第一台光镊装置就诞生了【5，6】。
也因此,光镊的正式名称为“单光束梯度力势阱” （single-beam optical gradient force trap）。
由于使用光镊来捕获操纵样品具有非接触性、无机械损伤等优点，这使得光镊在生物学领域表现出了突出的优势。
这些年来，随着研究的深入和技术的不断完善，光镊在生物学的应用对象由细胞和细胞器逐步扩展到了大分子和单分子等。
目前，光镊常被用来研究生物过程中的细胞和分子的运动过程【7—10】，也常被用来测量生物过程中的一些力学特征【11-14】。
1.2光镊的原理与特点众所周知，光具有能量和动量，但是在实际应用中人们经常利用了光的能量,却很少利用光的动量.究其原因，这主要是因为在生活中我们接触到的自然光和照明光等的力学效应都很小，无法引起人们可以直接感受到或观察到的宏观效应。
而科学家们利用激光所具有的高亮度和优良的方向性，使得光的力学效应在显微镜下显现了出来，在这里我们要介绍的光镊技术正是以这种光的力学效应为基础发展起来的。
1.2.1光压与单光束梯度力光阱光与物质相互作用的过程中既有能量的传递，也有动量的传递，动量的传递常常表现为压力，简称光压.1987年，麦克斯韦根据电磁波理论论证了光压的存在，并推导出了光压力的计算公式.1901年，俄国人П。
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。
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基于自组型光镊的梯度光场与基本参数实验一、实验目的1.通过亲身参与部分的光镊搭建工作，建立对光镊仪器的光学设计原理和组成结构的直观理解。
2.理解光镊在实现微粒捕获的过程中对成像系统的要求，捕获光路在光镊工作时的影响以及调试方法。
3. 掌握光镊力学性能的表征测量方法，结合物镜参数分析基本参数在影响光镊性能时的特点和规律。
4．开放式的实验教学，提高学生的综合分析和解决问题的能力，启发同学在面对问题时要敢于设想，敢于求证。
二、原理部分1.光镊技术简介光镊是利用强会聚的激光光场与微粒相互作用而形成的光学势阱，可以在三维方向控制微粒。
A. Ashkin等人于1986年发现单独一束强聚焦的激光束就足以形成三维稳定的光学势阱，因此，光镊正式名称为“单光束梯度力势阱”（single-beam optical gradient force trap），是利用激光的力学效应来实现对微粒的俘获、夹持和移动的一种物理工具。
光镊使物体整个受到光的束缚达到“钳”的效果，然后通过移动光束来迁移物体。
在以形成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光束几何中心的可能，表现出光镊具有“引力”效应(也有人称之为牵引束)。
已经落入阱中的微粒(处在光学中心的微粒)若没有强有力的外界扰动，物体将不会偏离光学中心。
由于各种外界作用或微粒自身运动等原因，微粒偏离了光学中心也会很快恢复原位，所以光镊又酷似一个陷阱。
这个陷阱有一定范围，在该范围边界处存在一个势垒。
当物体的动能不足以克服势垒时，它将继续停留在陷阱内。
光镊操控具有可视性，能够实时动态跟踪、进行微小力的测量。
光镊在研1究微小粒子行为方面具有非常明显的优势。
首先，光镊对微粒以非接触的遥控方式，实施无损无菌操控；其次，光镊捕获的粒子在几十纳米到几十微米，正好是生物细胞、细胞器以及生物大分子的尺度范围。
对于活体的操控，光镊填补了微米、纳米尺度范围的操作工具，是该尺度范围唯一的操作手段。
光镊技术兼容性强，可以与荧光激发，拉曼光谱技术，DIC微分干涉仪，微针辅助测量等等技术结合。
2.激光的梯度光场与力的分析光阱的产生是光与物体相互作用的结果，激光经汇聚形成具有梯度力的光场，具有一定透明度的微粒在此梯度光场中一方面由于吸收和反射产生散射力，另一方面由于折射引起动量改变，产生的梯度力克服散射力的影响，使得微粒被稳定在焦点附近。
其中，微粒的折射率大于周围环境折射率，微粒的直径在远大于激光波长时可以用几何光学方法进行受力分析。
以下就梯度光场和小球受力这两个关键因素加以分析说明。
2.1 激光的梯度光场光线是具有动量的，动量是一种矢量。
当一束激光照射到小球上时，激光发生折射和反射，也包括一部分吸收，由几何光学可确定光线传播的路径。
我们以透明电介质小球为模型，通过考察光穿过介质球的行为来分析光作用于物体的力。
设小球折射率n大于周围媒质的折射率n0，且小球直径远大于所用激光波长。
为了便于说明，建立笛卡儿坐标系，以小球的中心为原点(0,0,0)，以光线传播方向为z轴正向，与Z轴垂直的平面即为X-Y平面。
在光束中取a、b两条光线为代表，图1所示为光线经小球的情形。
光线在进入和离开球表面时产生折射，用黑粗线表示；同时在表面也产生部分的反射，用虚线表示。
2图1梯度光场与小球的相互作用当小球处在一个均匀光场中，如图1（A）。
均匀光场各子光束施予小球的力在横向（X-Y方向）完全抵消，但存在沿Z方向的推力，这个力称作散射力，是由被微粒反射和吸收的光作用产生的光辐射压力，其大小与入射光的强度成正比,方向与光传播方向一致方向与光传播方向一致，它趋向于使小球沿光束传播方向运动。
这相当于对小球的一维散射力束缚。
当小球处在一个非均匀光场中，如图1（B）自左向右增强的光场中，在横向存在一个强度梯度。
产生的结果是射到小球上的所有光束的合力在横向不再完全抵消。
总的合力是把小球推向右边略偏下处。
小球在这样一个非均匀的，即强度分布存在梯度的光场中所得到的是一个指向光强较强处的力。
这种由于横向光场强度分布不均匀产生的力称之为横向梯度力。
这是由于光的动量有了改变，产生梯度力，如图2所示。
光在折射前所有的光均沿Z方向传播，即光的动量是沿Z方向的，光束经过小球发生折射，然而离开球后光传播方向有了改变，即光的动量有了改变，产生梯度力。
这就是二维光学势阱对小球的二维束缚情形。
3图2 光的动量改变实际上光镊中常用的光是高斯光束。
高斯光束光强具有空间三维对称分布，是一种典型的具有梯度光场的光源。
在垂直于光传播方向的平面上，光强随偏离光轴的距离增大而减小，由外向内形成光强梯度。
如图3所示，一个透明介质小球处于一个高斯分布的非均匀会聚光场中。
在横向，光强梯度指向光束中心；在轴向激光会聚之前，即束腰之前，光强梯度指向束腰；束腰之后，光强梯度逆光束传播方向指向束腰。
小球在这样一个三维梯度光场当中，在横向上，受到指向激光焦点的回复力，即横向梯度力F g；在纵向上，受到沿光束传播方向的散射力F s和始终指向束腰的拉力，即轴向梯度力F g。
若产生的梯度力大于散射力，可以克服散射力的影响,在焦点光斑中心附近产生一个稳定的光学势阱，将小球稳定束缚在该势阱内。
这就是三维光学势阱对小球的稳定捕获。
4A 小球在束腰以外B 小球在束腰以内图3 汇聚激光与小球相互作用在几何光学近似下,梯度力和散射力的大小分别为F g = nPQg/c（1）F s = nPQs/c（2）式中n为周围介质的折射率，c为光速，P为激光功率，Qs和Qg为小于1的无量纲的系数，对于梯度力来说，Qg称为陷阱效率系数，常用它来描述光镊系统的性能。
2.2 微粒受力分析在满足折射率和粒径大小要求的基础上，小球在光场中会受到多个力的共同作用。
首先，小球具有质量，受到重力G作用，方向竖直向下；其次，小球处于液体环境中（本实验环境为纯水），受到浮力f作用，方向竖直向上，如图4。
小球有效重力相对较小，在后续的分析中可以忽略。
56图4 小球在梯度光场中的受力分析值得注意的是，重力会使得在实验中发生微粒沉底、粘底现象，不再具有自由布朗运动特征，无法被光阱捕获。
一般若配比合适浓度的样品，使得活动微粒数占有相当比例，可以解决这一问题。
微粒沉底后也可以适当对样品池进行搅动以使得粘底微粒重新自由活动。
除了可以忽略的有效重力之外，小球还受到梯度力Fg 和散射力Fs 的作用。
散射力的产生是由于小球对光的反射和吸收产生光辐射压力，大小与光强成正比，方向为沿着光束传播方向，其作用效果相当于将小球推离光束聚焦点。
影响散射力大小的主要因素有光的强度，小球的吸收系数，折射率等。
梯度力的产生是由于小球对光的折射引起动量改变，方向总是指向激光汇聚点。
其作用效果相当于弹簧振子模型中的回复力，始终将微粒拉向焦点。
影响梯度力的因素较散射力为多，除了激光强度，会聚角，还有小球的吸收系数，折射率以及相对折射率，粒径等。
对于透明介质小球，一般散射力相对梯度力较小。
综合散射力和梯度力，我们可以发现，在与光束产波方向垂直的横向平面（X-Y 平面），由于高斯光束经过汇聚，散射力很小，而主要为梯度力作用，梯度力始终指向焦点，使得粒子在X-Y 平面内束缚在光束中心，焦点附近，实现横向捕获；在光束轴向，散射力与梯度力共同作用，散射力倾向于将粒子向外推，梯度力则将粒子向内拉，当轴向梯度力大于散射力时，微粒能被稳定束缚于焦点附近，实现纵向的捕获。
由于汇聚光束一般会聚角较大，故而在一般情形下，对微粒的稳定三维捕获是很容易实现的。
在理解光镊产生原理的时候，明确Fg和Fs及其相对大小在粒子捕获过程中的重要作用是很重要的，我们很有必要通过实验和对实验现象与数据的分析来加深这一认识，从而对光阱捕获能力与Fg、Fs相对值之间的关系有一个直观和半量化的理解。
2.3 二维光阱与三维光阱我们在2.2中已经提到三种小球束缚情形：小球仅受到轴向散射力的一维光学势阱，小球在X-Y平面内受到了光的束缚的二维光学势阱；小球在横向和纵向都受到光的束缚的三维光学势阱。
我们知道，高斯光束光束的会聚角越大，会聚）越小，轴向和径向的光强变化越大，梯度光斑的焦点半径（即激光束的束腰w极值的绝对值越大，对微粒的梯度力也越大。
因此，在高斯光束束腰较大时就具有形成二维光阱的条件。
建立二维光阱对激光聚焦要求较低，可以用数值孔径较小的显微物镜。
可以在辅助条件下（例如，在横向加一衬底以控制微粒轴向运动，可俘获微粒于束腰前光轴上）控制微粒，实现应用。
而如何实现三维空间的完全束缚呢？我们很自然能联想到在高斯光束束腰较小时，梯度力较大，那么强聚焦的激光光束光束具有较大的横向(X-Y)动量和较小的轴向(Z)动量，就能达到梯度力大于散射力的条件，从而实现三维光阱。
我们将在后面的实验中，进行对不同梯度光场实现二维和三维捕获的探究。
三、自组型单光镊光路1.光镊装置组成光镊装置基本由以下部分组成（1）照明光，包括光源和聚光镜；（2）样品和样品室；（3）样品台，由样品托架，操控器组成；（4）捕获光，由激光器、光学耦合器件、聚焦镜等组成；（5）成像与观测器件，由成像光路和图像显示等组成。
72.显微成像系统在成像系统中，携带有样品信息的照明光透过双色分光镜抵达探测器平面，在CCD靶面上成像后呈现于视屏。
物体经显微物镜放大后成一中间像，再经摄影目镜成实像在探测器靶面，即摄影机光靶上，然后光信号被转化成电信号，在显示器上经软件显示出实时图像。
光阱捕获的微粒所在样品物面与显微镜物面重合，显微摄影的总放大率等于显微物镜的放大率乘以摄影目镜的放大率。
光镊作为一种可以实现对微粒的俘获和夹持的物理工具，很类似与现实生活中的镊子。
用镊子夹取物体，我们首先要有一双可视的眼睛，才能看到镊子是否夹住了物体。
同样地，光镊系统也需要这样清亮的“一双眼睛”，就是显微成像系统。
当成像系统调节不合理时，我们看到微清晰成像的微粒徘徊在光阱位置附近，但却观察不到捕获效果。
这是由于显微物镜的成像面距离光阱的阱位太远，以至于阱位处在物镜景深之外，当看到微粒时，微粒处于成像面上，当然是不能被捕获的了。
同时，光阱虽然不在成像面上捕获微粒，实际上光阱在其所在位置依旧是可以捕获在阱位附近的微粒的，只是阱位与成像面不重合，我们不能观察到而已。
还有一种情况，阱位和成像面相差不远，可以观察到微粒被捕获，但成像较为模糊不清，如图5（A）。
这就要求我们在光路设计和光路调节环节中充分考虑成像面和阱位的重合问题和调节方式。
我们也很有必要对成像面和阱位调节关系加以实验探究。
本实验采用无限远消色差物镜，入射捕获光束要求为近平行光，出射的携带有信息的光也是平行的，需要经一个辅助透镜汇聚后通过摄影目镜和CCD成像。
3.成像面与光阱阱位调节我们知道，光阱捕获的微粒所在样品物面应为物镜成像面，才能清晰成像，故而成像面应与光阱阱位重合。