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。生物微粒对红外光的穿透性等特点,也使光镊技术特别适于操控活体生物微粒,如细胞、细胞器(细胞内的线粒体、叶绿体、核糖体等微粒)以及生物大分子。同时,它对细胞或细胞器等生物微粒的生命活动干扰极小,整个操作体系涉及的细胞生存环境几乎等同于“天然”环境,细胞生命活动的变化得以完整保留,并以“实时动态”成像方式展现给研究者,这是其他方法所不具备的。
二、激光光镊的原理光具有能量和动量,携带动量的光与物质相互
作用时会有动量的传递,从而表现为光对物体施加一个力,并由此引起物体位移和速度改变,这叫做光的力学效应。如图1所示,一束激光经透镜聚焦后,射入透明介质球,经介质球两次折射后,光子动量发生变化,这种变化表现为对小球的反作用力,该力的大小正比于光的强度梯度,合力方向指向光束焦点,这种由于光场强度分布不均匀而产生的力,称为梯度力,图1中的光场梯度力指向焦点位置。光束通过粒子时由于折射而引起动量交换,从而对被作用粒子施加一个指向光束焦点的合力,使粒子总是趋于光束焦点,因而可稳定捕获微粒,进而操控微粒。
图1 激光光镊的原理
由此可见,光镊是一束强会聚激光形成的特殊光场,如果以该光场最强处为中心划定一个方圆微米的禁区,物体一旦涉足这个禁区就会自动移向光束中心,这种不由自主的运动犹如物体从空中坠向地面,表现出一种向心“引力”效应。光镊其实就是具有引力的光学势阱,这个光学势阱如同传统的机
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械镊子,能夹持和操纵微小物体,所以称为光学镊子或简称光镊。
三、激光光镊的应用
光镊捕获的粒子在几十纳米到几十微米,在这个尺度上,它提供了一种对宏观现象的微观机理的研究手段,特别是为研究对象从生物细胞到大分子的纳米生物学,提供了活体研究条件,比如激光光镊易于操纵细胞,可有效分离各种细胞器,并在基本不影响环境的情况下对捕获物进行无损活体操作。通过捕获和分离细胞,可了解细胞的诸多特性,如细胞间的粘附力、细胞膜弹性、细胞的应变能力及细胞的生理过程等,从而研究细胞的真实生理过程。
捕获和牵引微粒 捕获微粒是光镊最基本的功能,光镊在理论上可稳定捕获直径为几十纳米的粒子,而且目前微米量级的商品光镊装置已经问世。但纳米量级光镊装置比较复杂,涉及多路耦合、纳米
精度操作及高分辨率图像处理等高新技术
,目前还
处于实验阶段。微粒一旦被光镊捕获,光束移动,微粒就会跟着移动。当光束移动速度在微粒的力学响应范围之内时,微粒也会随光束移动,移动速度一般在每秒数十微米以下。利用光镊技术研究玻色-爱因斯坦凝聚物3,可将其输运至较以往更远的距离。最近因玻色-爱因斯坦凝聚物的研究成果而荣获诺贝尔物理学奖的沃尔夫冈?克特勒教授及其在麻省理工学院的同事,用波长为1064纳米的激光将凝聚物移动了近半米,而过去通常采用的磁学方法,只能将凝聚物移动很短的距离。图2是用光镊搬运聚苯乙烯小球组合成的863图样。
图2 光镊操作2微米聚苯乙烯小球的组合
研究细胞的应变能力 细胞内部的应变能力在通常情况下很难用显微镜观察。而光镊可对活体细胞进行非侵入微观操纵,能够诱导细胞产生应变。例如光镊发出的近红外连续激光可诱导线虫发生应变,而且在不同激励条件下,线虫的应变各不相同。科学家研究了红细胞的运动,发现红细胞的自转及其转速与光镊激光源的能量呈线性递增关系,而含原虫的血样却未发现细胞的旋转或转速有所降低,有人在研究了室温下磷酸盐缓冲液中红细胞的离解过程之后,阐述了非常态条件下细胞的离解机理。
测量红细胞膜的弹性 红细胞膜弹性是血液的生理功能指标,在测量红细胞膜弹性的技术中,双光镊法是最为直接、准确的方法。我国科研工作者利用方法设备相对简单、易于实现的单光镊法测量了正常红细胞和经不同浓度氧化苯砷处理的红细胞的膜弹性。结果显示,浓度与膜弹性间有明显线性关系,这与双光镊法的测量结果一致,从而证实了这种新方法的可行性和灵敏性。斯奥博达等科研人员将小球附着于血红细胞膜上一点,将这一点从样品池表面拉起,并用中性清洁剂灌注样品池,在溶解该点的脂质膜后,活跃的血红蛋白细胞骨架露了出来,斯奥博达等就在没有复杂表面反应的情况下研究其特性。还有人把小球附着于细胞表面后,用光镊向外拉小球,使细胞膜突出细的尖足,这种方法可用于研究细胞骨架元的重构,为艰难的细胞骨架研究打开了一道希望之门。
促进细胞融合 把光镊同激光微束(光刀)耦联起来,可实现激光诱导细胞融合。有人用此法研究了精子的游动,并对细胞有丝分裂中后期的染色体进行切割,深入研究了染色体的运动、分布和细胞内应力的作用及某些微重力效应,实现了染色体的精细切割、高效收集和植物原生质的融合。利用光镊捕获特定精子后,通过光穿孔送到卵周隙协助授精,结果证明紫外激光微束和光镊捕获结合可成功进行显微授精,为解决这一医学难题带来了曙光。当前最先进的转基因技术就是利用光镊和光刀将DNA 导入细胞而实现基因转移,这种方法可节约大量资源、缩短转基因时间、提高成功率。
对生物分子进行精细操作 由于光镊径向尺寸很小,产生的势阱深度与分子布朗运动的能量相近,所以难以直接捕获长链大分子。日本学者使用双光镊法成功实现了基因分子的扭转、打结(如图3);我国科研工作者则用光镊解开了DNA的分子缠绕,深入研究了生物大分子的折叠构像,此法有望解开遗传物质同细胞骨架的缠绕。这些都为细胞内蛋白纤维相互作用等分子力学的研究开辟了新途径。 在光镊诞生后的短短十几年里,这种基于激光技术的高科技以其对微观粒子独特的操控性能而受到普遍关注,该技术本身也得到了快速(下转35页)
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?现代物理知识
论或全息原理等的模型。
目前天文观测显示宇宙学常数作为暗能量与实验数据基本一致,但动力学暗能量模型没有被观测排除,而且数据略微支持精灵暗能量模型。
暗能量的本质决定宇宙的命运。如果加速膨胀是由真空能(即宇宙学常数)引起的,那么宇宙将永远延续这种加速膨胀的状态。宇宙中的物质和能量将变得越来越稀薄,星系之间互相远离的速度将变得非常快,新的结构不可能再形成。如果导致当今宇宙加速膨胀的暗能量是动力学的,那么宇宙的未来将由暗能量场的动力学决定,有可能会永远加速膨胀下去,也有可能重新进入减速膨胀的状态,甚至可能收缩。然而目前已知的理论都不能圆满解释暗能量,而且存在灾难性的宇宙学常数问题。解决这一问题需要新的理论,这样的理论一旦被找到,很可能是人们长期追求的包括引力在内的各种相互作用统一的量子理论。这将是一场重大的物理学革命。
我国探测暗物质和暗能量的可能性
在暗物质和暗能量的理论研究方面,我国科学家近年来取得了一定成果。在实验探测方面,羊八井地面观测站和LAMOST 天文望远镜具有探测暗物质和研究暗能量的一定潜力。
目前人们主要通过两种方案来探测暗物质粒子:“直接探测”实验,探测的是地球周围暗物质与探测器物质发生碰撞所产生的信号;“间接探测”实验,探测暗物质粒子湮灭的产物,如高能伽马射线、中微子、反质子和正电子等。
羊八井地面观测站位于西藏羊八井海拔4300米处,兼有地热资源和交通便利等有利条件,已成功开展了15年的宇宙线观测。随着羊八井实验的升级和灵敏度的提高,其宇宙线观测能用来寻找暗物质粒子湮灭所产生的信号,从而间接探测暗物质。
大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LA 2MOST )是一架横卧于南北方向的中星仪式反射施密特望远镜。应用主动光学技术控制反射施密特改正板,使它成为大口径兼大视场光学望远镜的世界之最。LAMOST 具有4米口径和5度视场。焦面上放置多达4000根光纤,将遥远天体的光分别传输到16台光谱仪中,同时获得它们的光谱,成为世界上光谱获取率最高的望远镜。大量天体光学光谱的获得为解决天体物理和宇宙学诸多前沿问题提供了关键信息。LAMOST 将对上千万个星系、活动星系核以及恒星进行光谱巡天观测,它将为研究宇宙中的暗物质、暗能量、大尺度结构、星系的形成和演化、银河系的形成、结构和演化等当代天文学和物理学的重大科学问题做出独特贡献,使我国在大视场、大样本天文学研究上居于国际领先地位。
近年来,随着一些新技术的出现和天文学的发展,国际上正在酝酿建设新一代射电望远镜。作为国际平方千米阵列(Square K ilometer Array ,SKA )的一种概念设计,我国天文学家对利用贵州的喀斯特地貌建设大型固定式球面天线进行了长期研究,目前已解决了许多工程技术方面的关键性问题,并提出建造500米大口径天线(FAST )的计划。一旦建成,将大大提高对弱源的观测灵敏度,可用于研究星系的大尺度分布,这将提供物质分布和暗能量演化信息,寻找黑暗星系,同时也可研究类星体(大质量黑洞)的演化、脉冲星的性质等。
(中国科学院高能物理研究所 100049)
此文转载于2006年第6期《自然杂志》
。
(上接48页)发展,操作精度从微米量级缩小到纳米
量级。光镊也为分子生物学、细胞生物学等生命科
学及介观物理学、微机电系统提供了一种有效的研究手段。可以预见,光镊在生物、物理、化学等多个领域必将得到越来越广泛的应用,并帮助人类揭示生命奥秘,促进人类向光子时代和生物时代进发。 (山东省泰安市泰山学院物理与电子科学系271021)
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当温度接近绝对零度时,杂乱无章的原子会突然束聚于一个最低的单一量子态的状态,这叫做玻色-爱因斯坦凝聚。
图3 双光镊对肌动蛋白进行打结示意图
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53?19卷2期(总110期)
激光显示技术的发展现状
目录 摘要 (2) 1引言 (3) 2激光显示技术 (3) 2.1激光显示技术原理 (3) 2.2激光显示技术特征 (4) 2.3激光显示技术类型 (4) 3激光显示技术发展历史 (5) 3.1国内激光显示技术发展历史 (5) 3.2国外激光显示技术发展历史 (5) 4激光显示技术发展现状 (6) 4.1国内激光显示技术发展现状 (6) 4.2国际激光显示技术发展现状 (9) 5总结 (10) 6致谢 (10) 7参考文献 (11)
摘要 激光显示作为新一代显示技术，继承了数字显示技术所有优点，能够最完美的再现自然色彩。本文简要介绍了激光显示技术的原理、特征、类型，并对国内外激光显示技术的发展历史和现状作了介绍。 关键词：激光显示技术、三基色激光、激光三维显示、数字显示技术 Abstract As a new generation of display technology, laser display inherited all the advantages of digital display, and can perfectly reproduce the natural colors. In this thesis, the principle, characteristic and type of laser display technology are introduced briefly. In addition, the developmental history and present status of which laser display is in domestic and overseas area are introduced too. Key words :Laser display technology；Tricolor laser；Three dimension display of laser ；Digital display technology
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.Н.列别捷夫用悬在细丝下的悬体实现了光压的实验测量【15】。此后，美国物理学家尼克尔、霍尔也
激光光散射技术及其应用.
激光光散射技术及其应用 Laser Light Scattering System Technology and Application BROOKHA VEN INSTRUMENTS CORPORATION (BEIJING OFFICE) 地址：北京市海淀区牡丹园北里甲1号中鑫嘉园东座A105室美国布鲁克海文公司公司北京技术服务中心 邮编：100083 电话：8610-62081909 传真：8610-6208189
激光光散射技术和应用 近年来，光电子和计算机技术的飞速发展使得激光光散射已经成为高分子体系和胶体科学研究中的一种常规的测试手段。现代的激光光散射包括静态和动态两个部分。在静态光散射中，通过测定平均散射光强的角度和浓度的依赖性，可以得到高聚物的重均分子量M w，均方根回旋半径R g和第二维利系数A2；在动态光散射中，利用快速数字相关器记录散射光强随时间的涨落，即时间相关函数，可得到散射光的特性弛豫时间τ，进而求得平动扩散系数D和与之对应的流体力学半径R h。在使用过程中，静态和动态光散射有机地结合可被用来研究高分子以及胶体粒子在溶液中的许多涉及到质量和流体力学体积变化的 过程，如聚集和分散、结晶和溶解、吸附和解吸、高分子链的伸展和卷缩以及蛋白质长链的折叠，并可得到许多独特的分子量参数。 一、光散射发展简史： Tynadall effect（1820-1893） 1869年，Tyndall研究了自然光通过溶胶颗粒时的散射，注意到散射光呈淡淡的蓝 色，并且发现如果入射光是偏振的，这散射光也是偏振的。Tyndall由此提出了19 世纪气象学的两大谜题：为什么天空是蓝色的？为什么来自天空的散射光是相当偏 振的？ James Clerk Maxwell (1833-1879) 解释了光是一种电磁波，并正确地计算出光的速度。 Lord Rayleigh(1842-1919) 1881年，Rayleigh应用Maxwell的电磁场理论推导出，在无吸收、无相互作用条件下，光学各向同性的小粒子的散射光强与波长的四次方成反比。并解释了蓝天是太阳光穿透大气层所产生的散射现象。 Abert Einstein(1879-1955) 研究了液体的光散射现象。 Chandrasekhara V.Raman (1888-1970) 1928年，印度籍科学家Raman提出了Raman 效应（也称拉曼散射），即光波在被散射后频率发生变化的现象。 Peter Debye（1884-1966） 延续了 Einstein的理论，描述了分子溶解于溶剂中所产生的光散射现象，提出用Debye plot 。1944 年，Debye利用散射光强测得稀溶液中高分子的重均分子量。 Peter Debye Lord Rayleigh Tyndall effect
激光雷达技术的应用现状及应用前景
光电雷达技术 课程论文 题目激光雷达技术的应用现状及应用前景
专业光学工程 姓名白学武 学号2220140227 学院光电学院 2015年2月28日 摘要：激光雷达无论在军用领域还是民用领域日益得到广泛的应用。介绍了激光雷达的工作原理、工作特点及分类，介绍了它们的研究进展和发展现状，以及应用现状和发展前景。 引言 激光雷达是工作在光频波段的雷达。与微波雷达的T作原理相似，它利用光频波段的电磁波先向目标发射探测信号，然后将其接收到的同波信号与发射信号相比较，从而获得目标的位置(距离、方位和高度)、运动状态(速度、姿态)等信息，实现对飞机、导弹等目标的探测、跟踪和识别。 激光雷达可以按照不同的方法分类。如按照发射波形和数据处理方式，可分为脉冲激光雷达、连续波激光雷达、脉冲压缩激光雷达、动目标显示激光雷达、脉冲多普勒激光雷达和成像激光雷达等：根据安装平台划分，可分为地面激光雷达、机载激光雷达、舰载激光雷达和航天激光雷达；根据完成任务的不同，可分为火控激光雷达、靶场测量激光雷达、导弹制导激光雷达、障碍物回避激光雷达以及飞机着舰引导激光雷达等。 在具体应用时，激光雷达既可单独使用，也能够同微波雷达，可见光电视、
红外电视或微光电视等成像设备组合使用，使得系统既能搜索到远距离目标，又能实现对目标的精密跟踪，是目前较为先进的战术应用方式。 一、激光雷达技术发展状况 1.1关键技术分析 1.1.1空间扫描技术 激光雷达的空间扫描方法可分为非扫描体制和扫描体制，其中扫描体制可以选择机械扫描、电学扫描和二元光学扫描等方式。非扫描成像体制采用多元探测器，作用距离较远，探测体制上同扫描成像的单元探测有所不同，能够减小设备的体积、重量，但在我国多元传感器，尤其是面阵探测器很难获得，因此国内激光雷达多采用扫描工作体制。 机械扫描能够进行大视场扫描，也可以达到很高的扫描速率，不同的机械结构能够获得不同的扫描图样，是目前应用较多的一种扫描方式。声光扫描器采用声光晶体对入射光的偏转实现扫描，扫描速度可以很高，扫描偏转精度能达到微弧度量级。但声光扫描器的扫描角度很小，光束质量较差，耗电量大，声光晶体必须采用冷却处理，实际工程应用中将增加设备量。 二元光学是光学技术中的一个新兴的重要分支，它是建立在衍射理论、计算机辅助设计和细微加工技术基础上的光学领域的前沿学科之一。利用二元光学可制造出微透镜阵列灵巧扫描器。一般这种扫描器由一对间距只有几微米的微透镜阵列组成，一组为正透镜，另一组为负透镜，准直光经过正透镜后开始聚焦，然后通过负透镜后变为准直光。当正负透镜阵列横向相对运动时，准直光方向就会发生偏转。这种透镜阵列只需要很小的相对移动输出光束就会产生很大的偏转，透镜阵列越小，达到相同的偏转所需的相对移动就越小。因此，这种扫描器的扫
激光技术的发展与展望
激光技术的发展与展望 "激光"一词是"LASER"的意译。LASER原是Light amplification by stimulated emissi on of radiation取字头组合而成的专门名词，在我国曾被翻译成"莱塞"、"光激射器"、"光受激辐射放大器"等。1964年，钱学森院士提议取名为"激光"，既反映了"受激辐射"的科学内涵，又表明它是一种很强烈的新光源，贴切、传神而又简洁，得到我国科学界的一致认同并沿用至今。 从1961年中国第一台激光器宣布研制成功至今，在全国激光科研、教学、生产和使用单位共同努力下，我国形成了门类齐全、水平先进、应用广泛的激光科技领域，并在产业化上取得可喜进步，为我国科学技术、国民经济和国防建设作出了积极贡献，在国际上了也争得了一席之地。 一、我国早期激光技术的发展 1957年，王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业研究所--中国科学院（长春）光学精密仪器机械研究所（简称"光机所"）。在老一辈专家带领下，一批青年科技工作者迅速成长，邓锡铭是其中的突出代表。早在1958年美国物理学家肖洛、汤斯关于激光原理的著名论文发表不久，他便积极倡导开展这项新技术研究，在短时间内凝聚了富有创新精神的中青年研究队伍，提出了大量提高光源亮度、单位色性、相干性的设想和实验方案。1960年世界第一台激光器问世。1961年夏，在王之江主持下，我国第一台红宝石激光器研制成功。此后短短几年内，激光技术迅速发展，产生了一批先进成果。各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功。在基础研究和关键技术方面、一系列新概念、新方法和新技术（如腔的Q突变及转镜调Q、行波放大、铼系离子的利用、自由电子振荡辐射等）纷纷提出并获得实施，其中不少具有独创性。 同时，作为具有高亮度、高方向性、高质量等优异特性的新光源，激光很快应用于各技术领域，显示出强大的生命力和竞争力。通信方面，1964年9月用激光演示传送电视图像，1964年11月实现3～30公里的通话。工业方面，1965年5月激光打孔机成功地用于拉丝模打孔生产，获得显著经济效益。医学方面，1965年6月激光视网膜焊接器进行了动物和临床实验。国防方面，1965年12月研制成功激光漫反射测距机（精度为10米/10公里），1966年4月研制出遥控脉冲激光多普勒测速仪。 可以说，在起步阶段我国的激光技术发展迅速，无论是数量还是质量，都和当时国际水平接近，一项创新性技术能够如此迅速赶上世界先进行列，在我国近代科技发展史上并不多见。这些成绩的取得，尤其是能够把物理设想、技术方案顺利地转化成实际激光器件，主要得力于光机所多年来在技术光学、精密机械和电子技术方面积累的综合能力和坚实基础。一项新技术的开发，没有足够的技术支撑是很难形成气候的。 二、重点项目带动激光技术的发展 激光科技事业从一开始就得到了领导和科学管理部门的高度重视。当时中国科学院副院长张劲夫提出建立专业激光研究所的设想，很快得到国家科委、国家计委的批准。主管科技的聂荣臻副总理还特别批示：研究所要建在上海，上海有较好的工业基础，有利于发展这一新技术。1964年，我国第一所，也是当时世界上第一所激光技术的专业研究所--中国科学院上海光学精密机械研究所（简称"上海光机所"）成立。当年12月在上海召开全国激光会议，张劲夫、严济慈出席并主持会议，140位代表提交了103篇学术报告。 1964年启动的"6403"高能钕玻璃激光系统、1965年开始研究的高功率激光系统和核聚变研究，以及1966年制定的研制15种军用激光整机等重点项目，由于技术上的综合性和高难度，有力地牵引和带动了激光技术各方面在中国的发展。我国的激光科技事业，虽然也遭遇了"文革"十年浩劫，但借助于重点项目的支撑，
《光镊原理及应用》课程教学大纲
《光镊原理及应用》课程教学大纲 一、课程基本信息 课程中文名称：光镊原理及应用 课程英文名称：Optical tweezers theory and application 开课学期：2 学时：16 学分：1 二、课程目的和任务 激光生物学是多学科交叉的新兴学科，其中以激光微束光阱效应为基础的光镊技术是生命科学和生物工程研究的有力工具，已成为当前生物物理学中新方法和新仪器的研究热点之一。是光子技术和生命科学相互交叉与渗透而形成的一门新的边缘学科，课程教学目标：让光镊在生命学科及其他应用领域中的作用与地位，逐步树立科学的世界观，促进综合素质的提高；帮助学生获得光镊的基本知识，掌握光镊相关技术。通过课程小论文与研讨，让学生了解本学科的发展前沿，培养学生的创造型思维；开放式的教学，提高学生的综合分析和解决问题的能力。 三、教学内容与基本要求 教学主要内容及对学生的要求： 教学主要内容 第一章 光镊技术的产生与发展 光镊技术的理论研究、光镊技术的应用研究 国内外光镊技术的研究现状 第二章 光镊技术及其基本原理 光镊技术的描述、光镊的基本原理、光辐射压力、 梯度力和散射力、二维光学势阱、基于激光微束的三维光学势阱 第三章 光镊的理论分析与计算方法 光镊理论计算的意义、粒子分类与计算方法、光阱力与光操纵束缚条件第四章 光镊的系统构成与技术性能
传统光镊的原理、系统构成、激光器和显微镜的选取、多光镊技术 第五章 光纤光镊技术 远场光纤光镊、近场光镊 第5章 光镊技术的发展应用 光镊技术在生物学方面应用、光镊在分子生物学领域的应用、光镊与其它技术的结合应用 对学生的要求： 1、 对光镊原理方法有明确认识。 2、 对光镊系统的性能、参数能深入了解，并能自由运用。 3、 能够了解光阱力的计算方法。 4、 有查阅外文资料的能力。 五、教学设计及方法 教学方式 1) 教学与科研结合，激发学生的求知欲 2)专家讲授与教师专题讲座相结合，拓展学生知识面 3)理论与实践结合，加强学生实验技能的训练 4)中、英双语教学相结合，提高学生国际交流能力 5)撰写专题调研报告，培养学生的自主创新能力 教学手段 将多种现代的教学手段运用于课程教学之中，多方位多途径地展教学活动，以激发学生学习兴趣，提高教学效果。 1)将多媒体教学与板书相结合，以解决学时少内容多的矛盾 2)课件与电视录像片相结合，以提高学生的自学能力 3)丰富的网络资源为学生学习提供良好的软环境 六、调查、参观、实践、实验内容 七、主要参考资料 [1]《光镊原理、技术和应用》李银妹编译中国科学技术大学出版社1996 [2]《时域有限差分法FDTD Method 》 高本庆 国防工业出版社.1995年 [3][《非均匀介质中的场与波》美]Weng Cho Chew 著聂在平，柳清伙译电子工业出版社,1992年 [4] Ashkin A. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams. Nature, 1987, 33: 256-
激光技术及其在现代通讯技术中的应用.
激光技术及其在现代通讯技术中的应用 姓名：杨春有学号：20141060138 学院：信息学院专业：通信工程（国防） 摘要20世纪以来，激光是继原子能、计算机、半导体之后的又一重大科技发明。在有充分的理论准备和生产实践需要的背景下，激光技术应运而生。它一问世就获得了异乎寻常的快速发展。激光在现代通信领域有着广泛的应用。它在扩大通信容量，缓和通信频段拥挤，提高安全等方面都发挥着极为重要的作用。 关键词：激光通信技术现代通讯激光通信光子晶体能量衰减 引言 事实上，1916 年激光的原理被著名的物理学家爱因斯坦发现之后一直没有研制成功，原因在于科学实验所需要的器材没有现在发达，一直到1958 年激光才被首次成功制造。激光是计入20世纪，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，它的亮度非常之高，大约为太阳光的100亿倍。因此激光一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，也正是因为这个原因，历史悠久的光学科学和光学技术体会了新生的快乐，更重要的是导致整个一门新兴产业——激光产业——的诞生。 一激光通信的发展阶段 激光通信经历了大气通信和光波导（光纤）通信两个重要的发展阶段。CO2气体激光器是比较符合要求的早期通信用光源，其输出激光波长为10.6μm，在大气通行当中，信道传输的低损耗窗口要求的标准波长是10.6μm。早期的激光大气通信所用光源还包括YAG固体激光器、He-Ne气体激光器等等。其中的早期激光大气通信曾经掀起了全球性的研究浪潮，大量的人力、财力和物力在这个阶段投入了进去，对激光大气通信进行了广泛的研究开发。但是这项研究只有少数的经济和技术力量雄厚的发达国家才能够承担得起。光纤波导通信技术大约与激光大气通信技术的研究工作同步展开，从而在技术上形成了激光无线通信和激光有线通信两种通信方式，这两种通信技术与传统通信技术大不相同。 腔面发射激光器（VCSEL）列阵光接受发射模块的处理能力不仅速度高而且容量特别大。微电子电路的多功能的逻辑控制、具有高强度并行操作功能的电子集成器件的优越性、光本身的高速传输能力、超高规模集成技术的优越性在垂直腔面发射激光器（VCSEL）列阵光接受发射模块当中得到了完美的体现。现代通信技术研究中，在激光通信领域，最引人瞩目的就要属垂直腔面发射激光器(VCSEL)了。包括制造成本很低、易
激光技术的发展及应用论文
激光技术的发展及应用 引言 随着激光技术的飞速发展和广泛应用激光已成为工业生产，科学探测和现代军事战争中极为重要的工具。总结了激光技术在工业生产，军事，国防，医疗等行业中的应用，提出激光技术应用领域的发展趋势。 “激光”一词是“LASER”的意译。LASER原是Light amplificati on by stimulated emissi on of radiation取字头组合而成的专门名词，在我国曾被翻译成“莱塞”、“光激射器” 、“光受激辐射放大器”等。激光具有普通光源发出的光的所有光学特性，是上世纪 60 年代所诞生和发展起来的新技术。1964年，钱学森院士提议取名为“激光”，既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明它是一种很强烈的新光源，贴切、传神而又简洁，得到我国科学界的一致认同并沿用至今。 激光不是普通的光，其特性是任何光都无法比拟的。激光能量密度高，其亮度比太阳表面还高数百亿倍；[1]激光方向性强，其发散度仅为毫弧度量级，所以用途非常广泛。由于激光的优异特性，使激光在工业生产，科技探测，军事等方面得到了广泛应用，激光渗透到社会的各个行业，而且发展潜力还非常大，激光也成为了当代科学发展最快的科学领域之一。 一、激光发展史 激光技术的启蒙研究发展就完全印证了上面的话。最早对激光做出理论研究的人是爱因斯坦，1916年爱因斯坦提出受激辐射的概念，即处于高能级的原子受外来光子作用，当外来光子的频率与其跃迁频率恰好一致时，原子就会从高能级跃迁到低能级，并发射与外来光子完全相同的另一光子，新发出的光子不仅在
频率方面与外来光子相一致，而且在发射方向、偏振态以及位相等方面均与外来光子相一致，因此，受激辐射具有相干性；在发生受激辐射时，一个光子变成了两个光子，利用这个特点，可实现光放大，并且能够得到自然条件下得不到的相干光． 受激辐射提出后，陆续有科学家进行研究。如1916-1930年间拉登堡及其合作者对氖的色散的研究并于1933年绘制出色散系数随放电带电流密度变化的曲线。1940年法布里坎特首先注意到了负吸收现象。这一阶段发展并不迅速。到了第二次世界大战之后，1947年兰姆和雷瑟夫指出通过粒子数反转可以受激辐射，从此激光理论的研究开始突破。1952年帕塞尔及其合作者实现了粒子数反转，观察到了负吸收现象。第二年，韦伯产生了利用受激辐射诱发原子或分子，从而放大电磁波的思想，进而提出了微波辐射器的原理。1957年斯科威尔实现了固体顺磁微波激射器。既然微波可以激发受激辐射，那么红外乃至可见光等也应该可以。1958年汤斯和肖洛发表了著名的“红外与光学激射器”一文，1959年汤斯提出了建造红宝石激光器的建议。终于1960年由休斯航空公司的莱曼建造出第一部可用的激光装置。（我国第一台红宝石激光器于15个月后的1961年8月建成。）从此人类拥有了激光这一利器。 由于生产技术不成熟，激光技术产生之初并未有太多实际用途。后虽有切割，光束武器等应用，但又受制于制造成本高昂和气候条件复杂等。几十年来各方面工程师和专家一直努力改进创新激光技术及应用，随着激光技术的发展成熟，今天，它已经广泛地应用于生产生活的各方面。 二、激光的特点及激光器 激光的特点主要有四点，一是方向性好，激光束偏离轴线的发散角往往非常小，甚至可以用来测量地球到月球的精确距离（发射到38万公里外的月球形成的光斑直径不超过一公里）；二是亮度高，激光功率在空间高度集中，亮度是普通太阳光的百万倍；三是单色性好，比如氪激光的波长范围只有4.7微埃，比原来个公认单色性最好的氪灯高出数个数量级；四是相干性好，激光器输出的光子频率、偏振、相位和传播方向都完全一致，这使得很多光学实验的精度大大提高。
中国激光技术发展回顾与展望
中国激光技术发展回顾与展望 名称研制成功时间研制人 He-Ne激光器1963年7月邓锡铭等 掺钕玻璃激光器1963年6月干福熹等 GaAs同质结半导体激光器1963年12月王守武等 脉冲Ar+激光器1964年10月万重怡等 CO2分子激光器1965年9月王润文等 CH3I化学激光器1966年3月邓锡铭等 YAG激光器1966年7月屈乾华等 可以说，在起步阶段我国的激光技术发展迅速，无论是数量还是质量，都和当时国际水平接近，一项创新性技术能够如此迅速赶上世界先进行列，在我国近代科技发展史上并不多见。这些成绩的取得，尤其是能够把物理设想、技术方案顺利地转化成实际激光器件，主要得力于光机所多年来在技术光学、精密机械和电子技术方面积累的综合能力和坚实基础。一项新技术的开发，没有足够的技术支撑是很难形成气候的。 激光科技事业从一开始就得到了领导和科学管理部门的高度重视。当时中国科学院副院长张劲夫提出建立专业激光研究所的设想，很快得到国家科委、国家计委的批准。主管科技的聂荣臻副总理还特别批示：研究所要建在上海，上海有较好的工业基础，有利于发展这一新技术。1964年，我国第一所，也是当时世界上第一所激光技术的专业研究所——中国科学院上海光学精密机械研究所（简称“上海光机所”）成立。当年12月在上海召开全国激光会议，张劲夫、严济慈出席并主持会议，140位代表提交了103篇学术报告。 1964年启动的“6403”高能钕玻璃激光系统、1965年开始研究的高功率激光系统和核聚变研究，以及1966年制定的研制15种军用激光整机等重点项目，由于技术上的综合性和高难度，有力地牵引和带动了激光技术各方面在中国的发展。我国的激光科技事业，虽然也遭遇了“文革”十年浩劫，但借助于重点项目的支撑，仍艰难地生存了下来并取得可贵的进展。 1、“6403”高能钕玻璃激光系统 1964年启动，最后从技术上判定热效应是根本性技术障碍，于1976年下马。这一项目对发展高能激光技术有历史贡献是不可忽视的，它使我国激光技术的水平上了一个台阶。其成果主要表现在：（1）建成了具有工程规模的大口径（120毫米）振荡—放大型激光系统，最大输出能量达32万焦耳；改善光束质量后达3万焦耳。（2）实现了系统技术集成，成功地进行了打靶实验，室内10米处击穿80毫米铝靶，室外2公里距离击穿0.2毫米铝耙，并系统地研究了强激光辐射的生物效应和材料破坏机理。（3）第一次揭示了强光对激光系统本身的光损伤现象和机制。（4 ）第一次深入和理解激光光束质量的重要性和物理内涵，采用了一系列提高光束质量的创新性技术，如万焦耳级非稳腔激光器、片状激光器、振荡—扫瞄放大式激光系统、尖劈法光束质量诊断等。（5）激光元器件和支撑技术有了突破性提高，如低吸收高均匀性钕玻璃熔炼工艺、高能脉冲氙气、高强度介质膜、大口径（1.2米）光学精密加工等。（6）培养和造就了一批技术骨干队伍。 2、高功率激光系统和核聚变研究 1964年王淦昌独立提出激光聚变倡议，1965年立项开始研究。经几年努力，建成了输出功率10（上标10）瓦的纳秒级激光装置，并于1973年5月首次在低温固氘靶、常温氘化锂靶和氘化聚乙烯上打出中子。1974年研制成功我国第一台多程片状放大器，把激光输出功率提高了10倍，中子产额增加了一个量级。在国际上向心压缩原理解密后，积极跟踪并于1976年研制成六束激光系统，对充气玻壳靶照射，获得了近百倍的体压缩。这一系列的重大突破，使我国的激光聚变研究进入世界先进行列，也为以后长期的持续发展奠定了基础 3、军用激光研究 1966年12月，国防科委主持召开了军用激光规划会，48个单位130余人参加，会议制定了包括含15种激光整机、9种支撑配套技术的发展规划。虽未正式批准生效，但仍起了有益的推动作用。此后的几年内，这一领域涌现了一批重要成果。例如：（1）靶场激光距技术初试成功：采用重复频率为20赫兹的YAG调Q激光器，测距精度优于2米，最远测量距离达660公里，加在经纬仪上，可实现对飞行目标的单站定轨。这一成果为以后完成洲际导弹再入段轨迹测量创造了必要条件。（2）红宝石激光人造卫星测
光镊原理浅析
光镊原理浅谈 岑学学 光镊技术由来已久，阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin ）在1986年就发明了第一代光镊。经过30多年的发展，光镊技术已经越来越成熟，并应用在生物学、物理学、医学等领域。这里我们将尽量通俗地介绍光镊的原理。 光镊，简单来讲，就是用激光来俘获、操纵、控制微小粒子的技术。这微小粒子可以是小水珠，活细胞，生物大分子等。当激光打到小粒子的时候，粒子就被光“吸住”了，并且会被吸到光强最强的地方，也就是焦点处，移动光束，就可以移动粒子。 那么，粒子为什么会被吸到光强最强的地方并被束缚住呢？ 光与物质是可以相互左右的。一柱水喷我们身上，或者一阵风迎面吹来，我们都能感觉到些许压力，具有波粒二象性的光自然也一样会对我们产生压力，只不过这个力很小很小而已，这就是光压。而在某些情况下，光还能对物体产生拉力，这样就形成了能束缚粒子的一个“陷阱”，通常被称为势阱。那么势阱又是如何产生的呢？我们需要先来复习一些中学的物理知识---动量守恒定律。
如图，有两个小球，铜球有一个初速度，动量为p1，钢球则是静止的，动量为p2=0。把这两个小球看作一个系统，那么这个系统的初始动量就是p=p1+p2。
铜球撞上钢球后，它们各自的速度都发生了变化，动量也变了。但是系统的动量是不变的，还是等于p，这就是动量守恒定律。 我们回来看光束和透明小球组成的系统，如图，光束有一个动量，而小球则是静止的，动量为0，而光束的动量是水平的，系统在竖直方向上的动量为0. 当光束照射到小球但不通过中心的时候，小球会使光线折射，如图。
这时光束在竖直方向上有了一个向下的动量。为了使系统的动量守恒，小球必须有一个向上的动量，这个动量就把小球“吸”向光速的轴线。 如果小球在光束的轴线上但在焦点之外，那小球就会使光束汇聚，如图。
激光对射技术原理及应用分析.
激光对射技术原理及应用分析 近年来周界防范系统已经成为安防系统基本且不可或缺的安防子系统。 不仅在军工厂、军营、机场、港口、政府机关等高端领域可见其“踪影”。 同时还被广泛应用到住宅小区,并在这些领域保持着相当高的应用增长速度。 众所周知,安全防范技术现在的发展方向是将视频监控、周界报警、入侵探测、门禁控制等独立的安防子系统集成整合,形成一个多功能、全天候、动态的综合安全管理系统。 而周界报警作为安防系统的第一道防线,作用十分重要,已从过去被动的报警探测,发展为今天的威慑阻挡加报警。 且随着安防技术的发展和安防市场的成熟,以及政策法规的进一步完善,数字化、集成化、网络化将是它发展的必然趋势。 周界报警系统是在防护的边界利用如泄漏、激光、电子围栏等技术形成一道或可见或不可见的“防护墙”。 当有越墙行为发生时,相应防区的探测器即会发出报警信号,并送至控制中心的报警控制主机,发出声光警示的同时显示报警位置。 还可联动周界模拟电子屏,甚至联动摄像监控系统、门禁系统、强电照明系统等。 近年来周界防范系统已经成为安防系统基本且不可或缺的安防子系统,不仅在军工厂、军营、机场、港口、政府机关等高端领域可见其 “踪影”,同时还被广泛应用到住宅小区,并在这些领域保持着相当高的应用增长速度。
本文将对激光对射、张力式电子围栏、泄漏电缆、振动电缆四种最常用的周界防范技术进行分析,借此一窥周界防范报警系统技术的发展踪迹。 激光对射工作原理 三安古德激光对射探测器由收、发两部分组成。 激光发射器向安装在几米甚至于几百米远的接收器发射激光线,其射束有单束、双束,甚至多束。 当相应的三安古德激光射束被遮断时,接收器即发出报警信号。 接收器由光学透镜、激光光电管、放大整形电路、功率驱动器及执行机构等组成。 其工作原理是接收器能收到激光射束为正常状态,而当发生入侵时,发射器发射的激光射束被遮挡,即光电管接收不到激光光。 从而输出相应的报警电信号,并经整形放大后输出开关量报警信号。该报警信号可被报警控制器接收,并去联动执行机构启动其它的报警设备,如声光报警器、模拟电子地图、电视监控系统、照明系统等。系统组成 激光周界防越报警系统通常由前端探测系统、现场报警系统、传输系统、中心控制系统、联动系统以及电源系统六部分组成。 1、前端探测系统由激光探测器及其相关附件组成,其对周界围墙或护栏进行防护,检测周界入侵行为,并输出报警信号。 2、现场报警系统由现场报警器及联动装置组成,在探测器检测到入侵行为时,即启动现场报警设备,对非法入侵行为进行威慑。
激光技术的现状及发展前景论文
激光切割技术的现状与发展 班级：13光信1 姓名：邱丽芬学号：1311122107 {摘要}：介绍了我国国内激光切割设备的现状和激光切割技术的发展前景，简要介绍激光切割原理，提出了该技术的发展目标及需要解决的问题。 {关键词}：激光切割设备国内市场激光切割机现状发展前景 引言 近年来，激光切割加工技术发展很快，国际上每年都以20%～30%的速度增长。我国1985 年以来，更以每年25 %以上的速度增长。由于我国激光工业基础较差，激光加工技术的应用尚不普遍，激光加工整体水平与先进国家相比仍有较大差距，相信随着激光加工技术的不断进步，这些障碍和不足会得到解决。激光切割技术必将成为21 世纪不可缺少的重要的钣金加工手段。激光切割加工广阔的应用市场，加上现代科学技术的迅猛发展，使得国内外科技工作者对激光切割加工技术进行不断探入的研究，推动着激光切割加工技术不断地向前发展。 一．我国激光切割设备与现状 全球激光制造技术发展飞速，我国与国际激光技术水平的差距有所增大，高端的激光加工成套装备几乎全部依赖进口，致使国外激光制造装备在我国市场的占有率高达70％。预计未来10年内，我国对这些高性能激光切割系统的市场需求量将达到100亿元。如此迫切和巨大的市场需求反应出激光加工的手段已经覆盖到国民经济各个重要领域，同时也影响着国防、航空航天等关键技术的突破，我们不仅仅是解决目前国内该产品的空白，同时也旨在解决激光加工领域多层面技术核心问题，如激光数控、激光机床新型结构、高质量激光加工的技术瓶颈等。 从中小功率激光切割设备取代传统加工工艺的优势来分析，与传统刀具机床设备相比，激光设备采用无接触的热加工方式，具有极高的能量聚集性、光斑细小、热扩散区少、个性化加工、加工品质高、无“刀具”磨损等优势，激光切口光滑无飞边，一些柔性材料自动收口，无变形，加工图形可通过计算机随意设计和输出，无需繁杂的刀模设计和制作。
浅谈激光雷达技术在林业上的应用
浅谈激光雷达技术在林业上的应用 摘要：近年来激光雷达在很多领悟非常受欢迎，更值得一提的是这种技术非常 受森林工作者的欢迎，在森林参数测量方面发挥着非常重要的作用。激光雷达的 成像机理和一般的光学遥感大不相同，它对森林地形以及森林植被分布形式的勘 测能力极强。在对森林高度进行探测时这种优势呗发挥的淋漓尽致，更重要的是 激光雷达具有的这种优势是很多遥感设备无法比拟的。 关键字：林业应用；激光雷达技术；遥感技术 引言 自然界的所有结构中没有比森林更大，更复杂的结构了，森林拥有着自然界 中的很多资源，这些自然资源包括碳水化合物和森林植被所需的所有营养。不管 人类发展到什么程度森林结构都不可能会被其他结构所替代，因为只有森林结构 完整，才能够保证自然界的生态平衡。在通常情况下，要想更好的保证生态平衡，就必须要对森林的很多参数就行测量和分析，但是运用普通的参数测量方法只能 够获得一些简单的数据，这些数据在对大片森林的研究上并不能发挥太大作用。 因此，要想获得大片森林的区域数据，就必须运用远程传感器来实现。另外，激 光技术可以说是一种新的探测技术，它的能力非常强。激光技术不仅可以帮助科 研人员获得所需研究物体或者结构的高度信息，而且可以给出精准的数据信息。 正因如此，在军事研究领悟激光技术也不可或缺。 一、激光雷达技术的测量工具和系统介绍 在数据研究领领域有一种最基本的测量工具，这种测量工具就是激光测距仪。这种仪器在使用时必须要使用激光，而且它的工作频率比家中微波炉的工作频率 高出很多倍。 平常的雷达系统，它的高度都不会超过70英尺，另外，对每一个雷达系统而言，它们都具有一个激光系统，并且这个激光系统是连续的。激光在使用的过程中，它的细节其实是时间决定的，每一刻都代表一个不同的时间。在森林参数测 量过程中运用激光技术可以不仅可以得到树木花草的结构，而且激光还可以凭借 其信号远远大于木材信号的优势来得到整个森林的结构，这也给森林研究人员在 森林结构研究方面带来了极大的便利。 一个大的激光雷达系统是由很多小的激光探测系统组成的，而每一个激光探 测系统就是一个小的激光雷达系统。另外，激光的大小并不是固定不变得，它会 随着飞行高度的变化而不断变化，但是一般情况下激光的大小最大不会超过0.9m。有的时候激光之所以能感觉到树叶，是因为最小的激光非常小，也正因为这个特点，激光雷达系统必须要增加方向上的频率。 二、激光雷达技术在林业上的应用 林业研究领域的很多数据都是靠激光测量出来的，这些数据小到森林中一棵 树的枝干结构信息，大到一个森林的整体结构信息。由此可见激光技术对林业研 究的重要性。另外，雷达激光系统不仅受到国内多数研究领域的欢迎，而且雷达 激光系统在国外也广受商业企业的欢迎。 虽然雷达可以再特定的时间内记录信息，但是对于信号边界的信息可能没有 办法完整记录。要想解决这个问题就必须要运用技术来穿越激光的边界，虽然在 穿越激光边界的过程中会遇到各种各样的问题，但是通过这种方法却可以有效的 获得信号边界信息。
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 Tweezer Ji Mei-ling,Bai Zhong-bo,Wang Na,Ma Xue-jin Abstract 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。20世纪70年代，美国贝尔实验室的学者Arthur Ashkin等人[1]发现了激光具有移动微粒的能力，并首先提出利用光压操控微小粒子的概念：在氩离子激光器发出的TEM00模式激光束作用下，硅小球在横向梯度力的作用下陷入光束中心，然后在光束散射力的作用下沿着光束传播的方向加速运动；还发现了折射率低于周围介质的粒子（气泡）会被激光束排斥，同时也会被激光束沿着激光传播的方向加速。其后Ashkin 利用两束相对照射的TEM00模式激光去捕获高折射率粒子，发现粒子在激光横向梯度力的作用下陷入光束中心，然后沿着光束传播的方向运动到一个稳定的平衡点停止下来，这样粒子就被两束相对照射的激光束稳定捕获了。这时它还不能称之为光镊，因为只能实现横向二维捕获，而在轴向上由于强烈的散射力的存在无法实现捕获。 1971 年，Ashkin 和Dziedzic 第一次使用了单光束捕获粒子[2]。他们利用一束聚焦的TEM00模式激光从下向上照射粒子，在轴向散射力的作用下粒子被顶起，同时粒子受到向下的重力作用。当粒子运动到平衡位置时，向上的散射力和向下的重力达到平衡，粒子在轴向上稳定下来。在横向上，由于光束的横向梯度力始终指向光束中心，因此粒子被稳定地捕获在光束中心。这样就形成了一个单光束悬浮光阱（opticallevitation trap）。在1986年，Ashkin 发表了一篇具有深远意义的论文[3]，标志着光镊的诞生。在此文中Ashkin仅仅利用一束激光就实现了在三维方向上捕获电介质粒子，而且在轴向上利用的是梯度力捕获粒子，而非利用重力作用的悬浮光阱。实验中Ashkin利用高度聚焦的单光束焦点形成的单光束梯度力势阱（single beam gradientforce trap），在水中成功地捕获了直径从25nm 到10μm 的电介质粒子，且在横向和轴向上所施加的捕获力都来自于光场梯度力。由于这种单光束梯度力势阱
激光技术的发展历史
73 2006 NO.9&10 记录媒体技术激 光的发明是20世纪中期一项划时代的成就，对人类社会文明产生了极其深远的影响。人们把 激光和原子能、半导体、计算机列在一起，称为20世纪的“新四大发明”。激光的出现不但引起了光学革命性的发展，冲击了整个物理学，并且对其它学科如化学、生物学和技术及应用学科如电机工程学、材料科学、医学等都产生了巨大的影响。像蒸汽机、发电机和电动机、晶体管、计算机这些创新一样，激光是一项通用技术，它提供了可以在大量实际领域应用的技术能力。对光盘存储而言，激光的发明是光盘存储技术必不可少的基础，它为光盘存储提供了一个有足够功率并且能够汇聚成很小光斑(微米级或亚微米级)的光源。可以说，没有激光的发明，就没有后来的光盘的发明。本文主要为光盘技术人员介绍激光技术的发展历史和趋势。 一、激光的发明和发展 所谓激光就是受激发射的光，是被其它辐射感应而激发的辐射。激光的英文名词为Laser ，是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的词首字母构成的新词，其原意是受激辐射光放大器。早期在我国曾被翻译成“莱塞”、“雷射”、“光激射器”、“光受激辐射放大器”等。直到1964年，由钱学森院士提议取名为“激光”，它既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明了它是一种很强烈的新光源。钱学森院士的提议得到国内学术界的一致认同，在中国大陆激光这个新名词就一直沿用至今。 现在我们知道，物质的发光过程有两种：一种称为自发辐射，另一种称为受激辐射。自发辐射是在没有外来光子情况下，原子自发地、独立地从高能级E 2向低能级E 1的跃迁。自发辐射是随机过程，跃迁时发出的光在相位、偏振态和传播方向上都彼此无关。受激辐射是处于高能级E 2的原子，在受到能量为hv = E 2-E 1的外来光子的激励时，跃迁到低能级E 1，并辐射一个与外来光子的频率、相位、振动方向和传播方向都相同的光子。 1916年，爱因斯坦根据物质发光和吸收必须符合能量守恒的基本原则，预言除了大量的自发辐射以外还必然存在着少量的受激辐射，并且这种受激辐射还 激光技术的发展历史 ◇顾 颖 会进一步引发同类的受激辐射，因此可以获得受激辐射被增强的效应。爱因斯坦的论断为激光的发明提供了理论基础。 图1 自发辐射和受激辐射 图2 爱因斯坦 此后，科学家们多次企图在原子发光实验中验证受激辐射的存在，但是要从大量的自发辐射中区分出只含万分之几的受激辐射确实是十分困难的，所以始终未能获得成功。 第二次世界大战时期，由于军事上雷达技术的需要，微波辐射和分子光谱学得到迅速发展，研究前沿向更短的波长领域推进，以达到更高分辨率的目标。战争结束后，美国军方对毫米级波谱学的研究工作保持着强烈的兴趣，因为其方便的部件可以用于减少导弹的重量、设计安装在坦克和潜水艇上的轻量级短波雷达、以及用于提高短波通讯的安全性。科学家们在军方的资助下能够利用战后剩余的微波设备继续微波辐射研究。1951年，美国哥伦比亚大学教授汤斯(Charles Townes)开始了“受激辐射微波放大器”(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation-MASER ，译作脉塞)的研究。1954年，汤斯和他的学生古尔德(Gordon Gou)合作制成了第一台脉塞，他成功地隔离了激发态氨(Ammonia)分子并实现了粒子数反转(上能级分子数分布大于下能级分子)，把一束受激的氨分子束瞄准进入谐振腔，使腔内激发态氨分子受激跃迁产生24千兆赫频率的辐射信号。第一个脉塞辐射的波长略大于1厘米，功率只有几十毫微 瓦，但是能量集中在很窄的谱线内。同年，苏联科学