光镊技术的基本原理
基于光镊技术的微细加工
４ 张应中， 罗晓芳． 基于 Ｕ ／ｐｎ Ｐ 技术 的参数化标准件库的开发［］ ＧＯ ｅ Ｉ Ａ Ｊ 计 ＿
算机工程，０ ３２ ）１０ １ １ ２ ０ （ １：８￣ ８
５ 张敏， 孙鹏文等．Ｇ注射模设计向导的应用研究 ［］ Ｕ Ｊ 机械设计与制造， ．
２ ０ （ ） ７ ７ ０ ８９ ： ￣９ ７
光镊 的驱 动下在加工表 面产生移动 、 高速转动及振 动， 从而完成 微米乃至纳米级 的加工任务１ 激光通过高倍 显微镜聚合后 ， ３ １ 。 形成 通过以上推导得到以下结论 ： 光作用 于物体时 ， 将产生辐射 光镊 ， 而能驱动微粒子产生各种运动。如果将几个微米 的高强 从 压作用 于物体上 ， 既可 以表现为拉力也可表现为推力， 力的作用方 度微粒子如（ 如金 刚石 、 碳化硅 、 石英等 ） 为微加工工具 ， 作 利用光
较方便地对压注模进行计算机辅助设计 ，为用户提供了一种方
面 ， 图 ３５ 如 ～ 所示。
便 、 的压注模设计工具 。该软件可 以有效提高模具的设计质 实用
量、 缩短模具开发的周期 ， 具有一定的实用性。
参考文献
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， 一
移向光束几何 中心 ， 其现象犹如微粒被吸尘器 吸人 吸入 的粒子 若没有强有力 的外界扰动 ， 物体将 不会偏离光学 中心。
光电镊的原理范文
光电镊的原理范文光电镊是一种基于光电效应的仪器，通过利用光子的能量来控制和操作微小物体。
它常常被用于微机电系统(MEMS)、纳米技术和生物医学领域。
本文将详细介绍光电镊的原理。
光电镊的原理基于光电效应，光电效应是指当光照射到材料表面时，光子的能量可以被材料中的电子吸收，从而使得电子获得足够的能量从材料中脱离。
这个现象由爱因斯坦在1905年首次提出，并且为他赢得了诺贝尔物理学奖。
光电镊通常由两个主要部分组成：光学系统和控制系统。
光学系统由一束激光器和一套光学器件组成，用来产生聚焦的光束。
控制系统通过控制激光器的功率、频率和聚焦光束的位置来实现对物体的操作。
这两个部分密切协作，使得光电镊能够实现高精度和高效率的操作。
具体来说，当激光器发出激光束后，它会经过一系列的光学器件，如透镜和光栅，来聚焦成一个非常小的点。
这个点的大小由入射光束的焦距以及透镜的孔径决定。
光束聚焦后，它的能量密度变高，这是因为原本较大的激光面积被聚焦到一个很小的点上。
这个过程类似于用放大镜来聚焦太阳光照射在一块纸上，可以导致纸燃烧的现象。
当物体放置到激光束的焦点位置时，光电效应发生。
光子的能量被吸收，使得物体表面的电子获得足够的能量从原子中脱离。
这些脱离的电子会产生电荷，导致物体表面带电。
通过控制光束的功率和位置，可以在纳米尺度上控制和操作物体。
控制系统通过调节激光器的功率、频率和聚焦光束的位置来实现对物体的操作。
激光器的功率可以调节激光束的能量密度，从而控制光电效应的强度。
激光器的频率可以调节光束的颜色，不同颜色的光束对物体的光电效应有不同的影响。
聚焦光束的位置可以通过调节透镜的位置实现，使得光束能够准确地照射到物体的表面。
光电镊具有很多优点：高分辨率、高精度、非接触性和对物体的无损操作。
与传统的机械夹具相比，光电镊可以实现对微小物体的高精度操作，不会对物体造成损坏。
此外，它还可以在真空环境下和生物体内进行操作。
光电镊已经在很多领域得到应用，如微电子装备、纳米加工和细胞操作。
光镊的发展--追寻光的力量
0引言1669年，牛顿提出光的“微粒说”，他认为光是从光源发出的一种光微粒流，具有直线传播的特性，这是人类对光的粒子性的最早认知。
1905年，基于普朗克的量子假说，爱因斯坦在一种全新的物理意义上提出了光子学说以及光的波粒二象性，合理地解释了光与物质相互作用的一些现象。
20世纪60年代，激光的问世为人们研究光与物质的相互作用提供了一种崭新的光源，为光镊的诞生埋下伏笔。
1970年，A.Ashkin 利用两束相向传播的聚焦光束成功地束缚住了在水中的电介质微粒。
1986年，A.Ashkin 只利用了一束聚焦良好的激光就实现了对水中电介质微粒的稳定捕获，这标志这光镊的诞生。
光子具有一定的能量和动量，而光镊充分体现了光的这一特性。
光镊是用高度会聚的激光束形成的三维势阱来俘获，操纵和控制微小颗粒的一项技术。
从1986年到今天，光镊技术不断发展升级，不仅促进了多种学科的发展，而且在生物学，物理学等领域发挥着越来越多不可替代的作用。
本文将介绍光镊的基本原理，装置构造，以及分类；讨论光镊应用的优势与不足，并做出相应的前景展望与改进；回顾近些年来光镊在技术和应用层面的新发展；最后将分析光镊未来的发展趋势。
1光镊简介1.1基本原理光镊是由强会聚的激光束形成的光学势阱，研究微粒在光阱中受到的光阱力的理论模型有几何光学（RO ）近似模型和电磁（EM ）模型。
RO 模型理论适用于几何尺寸远大于波长的微粒，EM 模型适用与尺寸小于波长的微粒。
图1左:光镊原理示意图,右:小球在光镊中的受力示意图光是一种电磁波，其内部震荡的电场会使照射物内形成电流。
电流在光的磁场中形成安培力，称之为光压（或光的辐射力）。
如图1所示，光的辐射力根据其效果可以分为两种：一种是推动目标沿光的传播方向的散射力（Scattering Force ），另一种是往光强密度高拉动目标的梯度力（Gradient Force ）。
如图1所示，用TEM 00的激光照射一个小球，距离光轴较近的入射光线A 通过小球时，发生反射，折射，得到出射光线A'。
光纤光镊技术
光纤光镊技术摘要光纤光镊利用光纤端面产生的光场对微小粒子进行俘获，俘获效果与光场密切相关。
比较常见的光纤光镊主要包括具有多个光纤的光镊、具有单个光纤的光镊以及特殊结构的光纤光镊等。
本文综合介绍上述各种光纤光镊。
关键词：具有多个光纤的光镊，具有单个光纤的光镊，特殊的光纤光镊，光阱力1.引言光镊因与人们生活中使用的镊子或者钳子的功能类似，可对微小粒子进行捕获，因此得名，也常被称为光钳。
最早期的是传统显微物镜型光镊，具有高数值孔径NA，对扩束、准直后的激光束进行高强度聚焦，产生的光阱力对粒子捕获，Ashkin.A在1970年首先发现[1]。
由于传统型的光镊缺陷显著，如结构复杂、成本高、体积大等，而光纤光镊搭建便利、操纵灵巧，采用高强度的激光光源可获得更大的光梯度力或光阱力，因而受到国内国外的研究学者高度关注，并不断发展、探索和创新。
2. 多个光纤的光镊多个光纤的光镊最先使用两根带光纤尾纤的红外二极管激光器形成光镊。
Constable.A等人在1993 年用两根单模光纤对微小粒子（聚苯乙烯球、活性酵母）进行光俘获[2]。
由于干涉现象等产生使得俘获微粒的稳定点不只一个，很难进行高精度的俘获微操作。
Guck、Bellini、Kreysing 等人先后采用两根光纤形成的光镊实现对生物细胞的俘获、拉伸、旋转，实现光镊操纵的多元化[3-5]。
Masahiro Ikeda 等人在2004年利用三根光纤形成光阱对微粒进行操纵，三根光纤的断面为半球形，通过控制三根光纤的光出射功率来控制微小粒子的旋转运动 [6]。
Zhang采用四根单模光纤形成光镊, 四根单模光纤在相互垂直的两个方向上对称设置，调整光纤准直后可捕获微粒，如图2-1。
利用3dB 的分光元件平衡各个光纤的光功率，四个衰减器单独控制各路光纤的出射功率 [7]。
多根光纤形成的光镊相比于传统型的光镊减少了体积、成本、结构复杂度，还将观测光路和操作光路进行分开，通过改变光纤断面形状提升光阱力、操作精度、稳定性。
有关于光镊原理的生活应用
有关于光镊原理的生活应用光镊是一种利用光的作用力来夹取微小物体的设备，可以应用于许多生活场景中。
以下是一些光镊原理的生活应用。
一、显微镜操作在显微镜操作中，光镊可以用来夹取和移动物体，如植物细胞、昆虫样本等。
通过调整光镊的位置和角度，人们可以更方便地观察和分析样本。
二、电子产品维修在电子产品维修中，光镊可以用来夹取和放置元件，如电子元器件、电路板上的小零件等。
光镊的精确夹取功能可以帮助技术人员更好地进行微小物体的操作，提高维修效率和准确性。
三、珠宝制作珠宝制作中，使用光镊来夹取和操控小小的宝石、珠子、金属配件等。
光镊的精确度和操作性可确保珠宝匠更加轻松地创建复杂的设计，同时减少损坏和误操作的风险。
四、纤维检测和修复在光纤通信领域，光镊被广泛应用于纤维的检测和修复。
通过使用光镊夹取纤维，技术人员可以更容易地检查纤维光纤的质量，找到问题并进行修复。
五、生物医学研究在生物医学研究中，光镊可以用于夹取和处理细胞、组织、小分子等微小物体。
例如，科学家可以使用光镊来夹取并操作细胞进行药物注射、病毒注入等实验，以研究其功能和反应。
六、微电子制造在微电子制造过程中，光镊可以帮助工程师精确地夹取和放置微小的电子元件，如芯片和电线。
光镊的高精度操作能力可以大大提高制造效率，减少损坏和浪费。
七、实验室操作在科学研究实验室中，光镊常被用来夹取和移动微小器具、实验物品、化学试剂等。
它的操作精准度使实验人员可以更精确地操作和控制实验过程。
八、医疗手术在一些微创手术中，光镊可用于夹取和操控微小器械、缝合线等。
它的精确操作性可使医生更容易进行手术、操控和缝合，减少创伤和愈合时间。
九、精密装配在精密装配行业中，光镊广泛应用于夹取和组装微小部件、螺丝、线缆等。
光镊的高精度操作功能可以帮助工人更好地操作和装配，提高产品质量。
总之，光镊原理的生活应用非常广泛。
从科学研究到医疗手术，从珠宝制作到电子产品维修，光镊的高精度操作能力让人们更方便地夹取和操控微小物体，提高了效率和准确性。
光镊
单光纤光镊的应用——利用光纤光镊方法测量液体的粘滞系数信息与通信工程学院2012081307高彤光纤光镊方法测量液体的粘滞系数【摘要】光镊是一直处于发展中的微操作微测量工具，普通光镊设备基于显微镜搭建，设备体积较大、代价较高、自由度低，使光镊在灵活应用的角度受到局限。
光纤轻便、低廉、灵活，并己作为信息传递的媒介广泛应用于光通信领域，将光纤引入光镊系统，利用光纤本身代替显微物镜形成会聚光束，同时利用光纤捕获并牵引微粒运动，大大提高了操作的自由度与灵活度。
另外普通单模光纤芯径约10微米，与很多生物细胞和大分子的尺度相当，使得光纤光镊仍然可以广泛应用于生命科学领域。
作为传统光镊的一个有益补充，光纤光镊技术的研究和应用正越来越受到人们的关注。
论文介绍了基于单模光纤微探针的光镊技术，综述了技术的原理、基本装置、若干关键问题以及近年来国内外研究现状。
光纤光镊轻便灵活，增大了光镊捕陷范围和操作灵活度，其与微流道、微芯片、激光计量和光谱仪等设备的结合，使得光镊的应用推广到更多领域。
进一步将工作具体到某一类问题上，即利用光纤光镊测量液体的粘滞系数。
光纤出射光场中的微粒受到激光的作用将发生运动，通过调控光纤的出光进行局域的作用，改变微粒的运动状态，再行观测微粒的位移改变来得到此局域中流体的性质或参数，如粘滞系数。
测量之余，还在液相中使用双光纤光镊生动直观地演示了激光的力学效应这一基本物理属性。
以上的实验结果表明，利用激光方法，无论是光纤光镊方法还是激光多普勒方法测量流体力学的各种参量是有效的，并且取得了较为理想的结果。
【关键词】单光纤光镊粘滞系数一、光纤光镊的模型及其应用1.1引言光镊，即单光束梯度力光阱，是利用光的动量的改变来实现微粒的捕获与操纵的工具。
自1986年A.Ashkin首次实现一束强聚焦激光稳定俘获生物粒子至今，光镊技术的发明己历经20余年，并在物理、化学、材料等领域得到了广泛的应用，光镊无接触、无损伤、可以测量皮牛量级力的特点更是使其成为生命科学青睐的理想工具。
光镊技术的原理及应用共24页PPT
雷阵雨作文(通用10篇)今天，天气闷热，老天爷好似心情不好，板着脸儿。
天，阴沉沉的，在外面玩得正欢的我，发现乌云滚滚，知道一定要下雨了，马上跑回家，关上窗子。
果然不出我所料，过了一会儿，一道闪电以迅雷不及掩耳之速划过天空，把乌黑的天幕撕成两半，紧接着雷公大发雷霆，消沉的轰隆声让人毛骨悚然。
这时，飘下几滴雨点，紧接着豆粒般大小的雨滴向地面俯冲而去，在地上、伞上不时溅起一朵朵“水花〞。
道路上车水马龙，堵得水泄劲不通。
人们都想快点回家，却一直寸足难行。
两旁的大树被吹得摇摇摆摆，像个喝醉的汉子。
绿带上的小花很纤弱，补冲倒了几片花瓣，无力地低着头。
人们打着伞，顶着风走，非常吃力，有的伞突然倒了过来了，成了“蒲公英〞，立即招来一阵哄堂大笑。
雷阵雨雷阵雨，只下一阵的雨。
这不，停了，天上挂着一条美丽的彩虹，天空仿佛在向我微笑……困难只有一阵，撑过去就可以看见美好的世界。
“轰隆隆〞雷公公拿出珍藏很久的鼓，重重地敲了几下，鼓声震耳欲聋，把教室里的小朋友都吓了一跳。
一道道闪电如巨龙飞腾，好似为大自然这个舞台亮起炫目的灯光。
“哗哗哗〞豆大的雨点奏起了欢快的乐曲，音乐会开始了。
俏皮的雨点从云朵里蹦到地上，渐渐地湿漉漉的地上结起薄薄地水层，转眼间又变成一个个小小的湖。
雨点落在湖中溅起一朵朵水花，仿佛是美丽的花儿在开放，又像是雨点在跳舞。
“轰隆隆〞雷公公又为在跳舞的雨点伴奏。
过了一会儿，雨停了，云散了，太阳公公又发出了灿烂的光辉。
今天，下了一场特大阵雨。
我午睡起来，发现天空一片黑暗，乌云在空中翻滚着，被风吹起的尘土和树叶到处飞扬。
预示着暴风雨就要来临了。
一个个闪电像带电的火龙在空中不断闪现，照亮着大地。
雷声，紧随着闪电的.影子在远处滚动着，发出一连串强大的声音，豆大的雨点开始漂落，路上的行人都缩着脖子弯着腰飞快地往家跑去。
哗，哗，雨越下越大，渐渐地，就像有人在空中用盆往下泼一般，看，雨落到地上溅起一朵朵漂亮的水花。
雨水落到房顶上，从房檐滑落下来连成一根根银丝像一副水帘。
单光束光镊实验与理论分析
单光束光镊实验与理论分析赵子进;徐春雨;王越飞;吕天翔;孙美玉【摘要】给出了一种实现稳定捕获微小粒子及其显微成像的单光束光镊实验系统,基于此系统研究了单个二氧化硅微球的动态捕获过程.实验中发现要稳定捕获粒子的同时还能够实时观察粒子的运动变化,必须保证物镜的聚焦平面与CCD的成像平面重合.其次,聚焦物镜的数值孔径与激光功率的大小,对实现粒子的稳定捕获具有重要的影响.实验结果与理论分析表明物镜的数值孔径越大、激光功率越大,粒子的捕获力越大,可实现微粒的稳定捕获.此研究有望在大学物理教学及生物的微操控领域具有一定的参考价值.【期刊名称】《大学物理》【年(卷),期】2018(037)004【总页数】7页(P58-63,67)【关键词】光镊;高数值孔径物镜;稳定捕获;二氧化硅微球【作者】赵子进;徐春雨;王越飞;吕天翔;孙美玉【作者单位】鲁东大学物理与光电工程学院,山东烟台 264025;鲁东大学物理与光电工程学院,山东烟台 264025;鲁东大学交通学院,山东烟台 264025;鲁东大学物理与光电工程学院,山东烟台 264025;鲁东大学物理与光电工程学院,山东烟台264025【正文语种】中文【中图分类】O434.14Ashkin[1，2]及其合作者首先利用单束强聚焦的激光实现了对水中电介质微粒的稳定捕获，标志着光镊技术的诞生.光镊是一种探测活体生物单分子纳米量级的运动幅度和pN(皮牛，10-12 N)量级相互作用的仪器，在21世纪的生物学研究领域中已经开发成功并投入使用.光镊技术是利用激光的力学效应，通过高度会聚的激光形成的光强梯度产生梯度力光势阱[3，4]，达到对微米或亚微米量级颗粒进行捕获的作用.光镊捕获微粒的优点有：非接触、无损伤地操纵活体物质，可快速灵敏地捕获微粒，可以应用于生物活细胞的操控[5-8].近20年来，光镊技术的研究和应用已得到了迅速的发展，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不可或缺的有效工具[9].光的力学效应虽然已广泛应用在诸多科学研究领域，但在课堂和实验教学方面还十分欠缺.光镊技术的发明不仅推动了光的力学效应的应用，也为光的力学效应的演示和教学提供了条件.大学物理光学课程[10]中涉及一点光镊的内容，但并没有系统的理论描述，只是简单的介绍了光镊的基本概念及应用.同时，国内针对单光束光镊实验中遇到的问题研究鲜有报道，很少有论文提及光镊实验中存在的问题及解决方法.大学物理期刊[11-13]上发表了一些关于光镊的文章，但主要是一些理论模拟研究.其中余娜等[12]进行了光镊的实验研究，提出了低功率(16 mW)激光在20倍的普通物镜聚光下产生的光阱就能对聚苯乙烯颗粒、玻璃微珠和虾卵进行捕获.但我们在实验过程中发现，基于上述条件很难实现对粒子的稳定捕获.因此，本论文给出了光镊技术的基本原理和一种实现稳定捕获和实时观察的光镊实验系统.基于此实验系统，以二氧化硅微球为例，研究了单光束光镊的动态捕获实验.通过理论模拟与实验研究了物镜的数值孔径、激光功率对粒子稳定捕获的影响.本文通过给出光镊技术的基本原理和实验，对理解利用光与物体相互作用的动量传递产生的光的力学效应，以及在大学物理教学中，对理解光的力学效应，理解光的物质性，以及光子具有动量、光压等概念有一定的参考意义.其次，此项研究还有助于将光镊技术纳入物理类实验教学中，对培养具有一定光镊技术的理论及实验应用方面的大学生有一定的指导意义.希望通过本论文能够推动光的力学效应的实验教学，以便适应现代科学发展的需求.1 光镊的基本原理光镊是利用光与物质间的动量传递产生的力学效应[3，14]而形成的三维梯度力光势阱，其捕获过程即为动量守恒原理的体现.光具有能量和动量，若一束光所携带的能量为E和动量为P，则二者满足关系P=e E/c (其中c 是真空中的光速，e为动量方向的单位矢量).当光与物质相互作用时，通常会伴随有动量的交换，而动量的交换就会表现为光与物体之间的相互作用力.如果一束光照射到物体上，其动量变化为ΔP，历经的时间为t.由动量守恒定律可知，物体从光束那里得到的动量为-ΔP.根据牛顿第二律，光作用在物体上的作用力 F = -ΔP /t.针对捕获粒子的尺寸大小不同，有不同的理论用于解释光束对粒子施加的作用力.当粒子的尺寸远远大于光波长时，可利用几何光学模型来分析粒子的受力情况；当粒子的尺寸远远小于光波长时，可用瑞利散射模型来分析.以几何模型为例来简单说明一下粒子的受力情况.如图1(a)所示，一束激光经过高数值孔径物镜聚焦后，射在折射率大于周围物质折射率的透明介质小球，光线在介质球内经过两次折射后，光子动量发生了变化，这种变化反作用于小球，表现为对小球的反作用力(如图1(a)中Fa和Fb所示)，该力的大小与光强梯度成正比，合力的方向指向光强最大处，这个力总是使小球趋向激光焦点，这种由于光强分布不均匀而产生的力称为梯度力.同时，小球还受到散射力的作用，散射力来源于散射过程中光与物质的动量交换，方向沿着光的传播方向，此力总是使小球沿着光束的传播方向运动.当光场梯度足够大时，梯度力的作用大于散射力的作用，合力F指向焦点处，在焦点处形成一个稳定的三维光势阱.此时，粒子将被稳定捕获在光势阱处，如图1(b)所示.相对而言，当散射力大于梯度力时，粒子会被光束沿轴向推走，就无法形成稳定捕获.通过给定的初始条件(入射光的波长、偏振态、粒子折射率、周围液体折射率、物镜数值孔径、激光功率等参数)，可以得出散射力与梯度力的计算公式，总的捕获力为两者之和.其总的光镊力的公式[15]如下：(1)其中，n为微球周围介质的折射率，p为入射激光光束的总功率，c为光速.Q为一个无量纲参数，称为捕获效率，用来表征捕获光束与粒子之间的相互作用力.Q表示入射光束的能量转换为粒子捕获力的效率，所以知道了Q因子，就知道了光镊力的大小.图1 微粒子在单光束梯度力光场中的受力图.2 光学捕获力的数值模拟方法人们在实验中发现，当粒子的尺寸与波长相近时，粒子可以被牢固的捕获，因此，采用此大小的粒子作为探测对象，可提高实验的稳定性.但是，几何模型[16]和瑞利散射模型[17]对粒子的尺寸都有要求，对于尺寸和波长相近的粒子，这两种方法都不适用.在这种情况下，只能利用电磁散射模型[18]，将入射光与粒子的相互作用看作是电磁散射过程，通过求解麦克斯韦方程组来确定散射场分布，然后由动量守恒得到粒子的受力情况.本论文选择的粒子的尺寸大小与波长相近，因此本论文的理论模拟利用电磁散射模型来计算.电磁散射计算有多种求解麦克斯韦方程组的数值方法，比如：有限元法、时域有限差分法、T矩阵法等.而T矩阵法[15]是电磁散射模型中最成功的方法，本文的数值模拟均基于此方法，下面详细介绍T矩阵法.在用T矩阵法计算时，首先利用徳拜积分描述物镜聚焦场的分布，得到入射光场Ei(r)和散射光场Es(r)的球面矢量波函数展开系数[15]：(2)(3)其中，amn和bmn入射光场的扩展系数，emn和fmn散射光场的扩展系数，M1，3，N1，3分别为第一类和第三类球矢量波函数[15]：(4)(5)其中是第一类和第三类球球面汉克尔函数，是归一化常数，Bnm(θ,φ)=rCm(θ,φ)=是矢量球谐函数，是归一的标量球谐函数.由于麦克斯韦方程组具有线性，所以入射场系数和散射场系数之间存在线性关系[15]：(6)(7)其中的系数矩阵就是T矩阵，T 矩阵表征粒子在光阱中各个位置及方向的特性，与入射光无关，它可以用扩展边界条件法求出.因此，得到入射场的展开系数后，散射场可根据T矩阵方法得到.最后，对于已经确定的入射场和散射场，聚焦光束施加于粒子的作用力可由麦克斯韦应力张量的积分获得[19]，即(8)其中，S 表示一个包含粒子的任意闭合曲面.通过对上式的积分求解，就可以得到光场对粒子的捕获力.捕获力的大小同样用式(1)中的Q捕获效率来表示.3 实验系统实验系统主要由两部分构成，一部分是用来产生干净的具有特定相位的单色平行光束，另一部分是自主搭建的一个简易的倒置显微镜系统，实验系统的示意图如图2所示.图2 光镊系统结构示意图首先，激光器(LWGL532，北京镭志威光电)发出的光经过针孔滤波器进行滤波，得到的干净的扩散光束，再经过准直透镜得到平行光束，此平行光束再经过分束棱镜，经反射的光进入倒置的显微物镜(OQ-X60)中，通过显微物镜的紧聚焦的光斑打在样品池中，用来产生光势阱捕获微粒.在载物台上方放置一个LED光源，作为成像照明光源，其出射光经过显微物镜放大后，透过分束棱镜经成像透镜后，成像在CCD (DH-HV3151UC)上，CCD与计算机相连，可实时观察微粒的动态捕获过程.4 实验结果与分析实验中所用的激光器为输出波长为532 nm的固体激光器，其最大输出功率为2 W(功率连续可调)；实验中所用微粒为二氧化硅微球，其直径为2 μm；实验中的聚焦物镜为数值孔径为NA=1.25的100倍放大的物镜一个和数值孔径为NA=0.85的60倍放大的物镜一个；作为照明光源的LED的输出光为红光，其中心波长为630 nm；CCD成像器件的像素大小为3.2 μm；滤光片为反射短波透射长波段的滤光片，主要用来滤除实验中反射绿光对成像的干扰.实验初期研究中发现微球接近聚焦光势阱处时，微球在横向上会被拉向光势阱，但在轴向上粒子会迅速的脱离成像平面.通过进一步研究发现微球在轴向上脱离，是因为激光的聚焦平面与微球的成像平面不重合.这是因为在倒置显微镜光镊系统中，捕获光路和成像光路通过双色镜耦合在一起，共用同一个物镜.一方面，由于CCD 成像用的光波长(630 nm)与聚焦用的光波长(532 nm)不同，会引起一定的色差.另一方面，由于轴向散射力的存在，稳定捕获的平衡点并不在激光焦点处，而是偏移焦点一段距离，因此捕获面与成像面是不重合的.如图3所示，当用来捕获的光束聚焦平面与CCD的成像平面不重合时，CCD上看到的将不是捕获微球的清晰的像，而是微球经过衍射一段距离后的衍射光斑.为了解决捕获粒子成像离焦问题，使捕获微球成像更清晰，我们在实验装置的CCD前增加了一个成像透镜，通过移动此成像透镜来改变CCD的成像平面.当激光的聚焦平面和CCD成像平面重合，达到微球成像清晰的目的.图4所示为聚焦捕获平面和成像平面不重合与重合两种情况下微球的显微成像图.图4(a)所示为焦点平面和成像平面不重合时微球的CCD照片，从图中可以看出为一衍射斑，微球成像不清晰.图4(b)所示为调节成像透镜的前后位置，当焦点平面和成像平面重合时，能够观察到被捕获的微球的清晰图.图3 聚焦平面和成像平面的偏离图4 聚焦平面和成像平面不重合与重合两种情况下微球捕获的成像情况比较(加滤光片).(a) 聚焦平面和成像平面不重合；(b) 聚焦平面和成像平面重合.当聚焦平面与CCD成像平面重合后，可以清晰的观察微球的动态捕获过程.我们首先研究了高数值孔径物镜的捕获情况.图5(a)所示为物镜数值孔径为NA=1.25，激光功率为1 W时，微球被稳定捕获图，从图中我们发现激光的中心(图中绿色点，在不加滤光片时可见)与微球中心不重合，为了解释此现象，我们基于T矩阵算法[15]，数值模拟了横向捕获效率Qr随微球横向位移的变化曲线，如图5(b)所示，发现横向捕获效率关于原点中心对称，表明此时只有捕获力作用微粒时的合力为零，即Qr=0的平衡位置，在理论上微粒稳定捕获的中心与焦点中心重合.但在实际的实验中，微球除了受光镊力外，还受到微球自身的重力、布朗运动以及微球周围液体扰动产生的阻力等.这样一来，除了光与微粒相互作用引起的捕获力之外，还有其它力的作用，因此微球稳定捕获的位置就不与微球中心重合了.而正是基于这种微粒偏移焦点中心位置的现象，可用来测量粒子的捕获力，比如基于流体力学法的拖曳法、外加周期驱动力法.因为粒子在光阱中所受到的捕获力与粒子偏离光阱中心的位移有关.当光阱中的粒子同时受到捕获力和其它外力作用达到平衡时，可以通过测量粒子相对光阱中心的偏移得到捕获力，然后根据粒子受力平衡的条件就可以计算出粒子受到的外力.图5 激光中心与微球中心不重合.(a) 微球被稳定捕获的实验照片；(b) 数值模拟横向捕获力的变化曲线本文还研究了激光功率对微球捕获的影响.用100X(NA=1.25)的高数值孔径物镜继续进行实验，将激光功率从1 W逐渐减小到20 mW时，微球捕获的动态变化情况.当激光功率比较大时，微球可以被稳定捕获.如图6(a)所示，为激光功率1 W时微球的捕获照片，从图中可以看出，除了一个清晰的稳定捕获的粒子外，还有其它微球被同时捕获，如图中清晰微球旁边的衍射图案.当激光的功率减小到一定值时，激光的捕获力随之减少，此时微球将脱离力的捕获.如图6(b)所示为激光功率减小到20 mW时的捕获情况.图中圈出的黑影为微球的衍射光斑，此时微球已脱离光阱的束缚，漂离到其它位置.当激光功率减小到一定程度时，光阱将不能束缚住微球.因此，实验表明入射激光总功率越大，粒子受到的捕获力越大，可以实现粒子的稳定捕获.图6 入射激光功率不断减少时，(a) 1 W稳定捕获；(b) 20 mW微球脱离光阱.保持激光功率为1 W，将物镜改换成60X的低数值孔径物镜(NA=0.85)，再次进行光镊捕获实验，实验时发现此光阱可以捕获微球，但是存在捕获不稳定的情况，微球被吸引到光阱中后很快就被推开，如图7所示.图7 非稳定捕获过程图(未加滤光片).(a) 微球离焦点较远；(b) 微球移动到焦点附近；(c) 微球进入光阱中被捕获；(d) 微球被推离焦点.图7中不在白点圈上的单独白点为不加滤光片时激光的聚焦焦点，表明激光所处的位置.图中较大的黑点为二氧化硅微球.图7(a)中虚线标出了所观察的微球.当微球靠近激光焦点时，微球将被拉向激光光阱处，如图7(b)所示，表明微球逐渐靠近激光焦点.图7(c)表明微球进入光阱中被捕获.因物镜的数值孔径低，产生的梯度力较小，因此不能实现稳定捕获.如图7(d)所示，在散射力、布朗力、水流的阻力等作用下，微球被捕获一段时间后将脱离束缚.因此，实验表明物镜数值孔径越大，捕获效率越高，微球易被束缚于光阱，从而形成稳定捕获，反之，数值孔径小，微球易于逃离光阱.这是因为增加数值孔径NA ，不仅仅会增大会聚角度，更重要的是可以使光束聚焦更强烈，即焦斑半径减小，光场梯度增大，捕获能力增加.基于T矩阵算法，数值模拟了不同数值孔径下，微球受到的轴向捕获效率的变化曲线，如图8所示.图8(a)所示，不同NA取值时，轴向捕获效率(负向)在z轴方向的变化曲线.这里我们定义每条曲线的极值(负向)为最大捕获效率.从图中可以看出，当NA=0.6时，微球受到的梯度力为正值，表明此时的捕获力沿光传播方向，均沿z轴正方向，表现为一推力，此时微球将被推离光阱，无法实现捕获.当NA=0.85时，此时轴向最大捕获效率(负向)约为-0.093 2，但可能不足以克服散射力、布朗力、水流的阻力，因此微球会脱离光阱的束缚，不能稳定的捕获在同一个位置.所以要实现稳定捕获微球，需要大数值孔径的物镜.图8(b)给出了，最大捕获效率(负向)随数值孔径的变化关系曲线.从图中可以看出数值孔径越大，最大捕获效率就越大，越容易克服散射力的影响，形成稳定捕获.可见上述实验及理论分析表明数值孔径对于光学捕获是非常重要的一个参数.图8对于其它参数的变化(比如，粒子尺寸、粒子折射率)对捕获效率的影响，同样可以通过T矩阵法从理论方面研究光镊的捕获特性.但在实验中要准确获得这些参数对捕获力的影响，需要在单纯实现光镊捕获的基础装置上，增加探测模块，比如力值测量和粒子跟踪模块.利用精密的力学测试模块和位置传感探测器，其精度可达fN(飞牛，10-15 N)和pN(皮牛，10-12 N)的级别，可监测捕获到的粒子和陷阱光束轴之间的相对位移.但此实验部分需要昂贵的仪器，因此本论文实验研究只给出了，捕获力随着入射激光总功率和数值孔径变化的直观实验现象.5 结论本文基于光镊的基本原理，自行搭建了一套光镊实验系统.实验和数值模拟的结果表明：物镜数值孔径越大，光镊捕获力越大；激光功率越大，光镊捕获力越大.同时，实验还发现：激光焦平面与微球成像平面不重合时，微球成像模糊，此问题可以通过在CCD前增加一个成像透镜来解决；稳定捕获时，激光的中心和微球的中心不重合，这与数值模拟的结果一致.同时，通过数值模拟给出了合理的解释，并提出了有效的解决方案.此研究有望对国内从事光镊研究的学者以及在生物医学微操控方面有一定的参考意义.希望通过本论文能够对实验教学中光的力学效应有一定的推动作用，以便适应现代科学发展的需求.[1] Ashkin A，Dziedzic J M，Bjorkholm J E，et al.Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles [J].Optics Letters，1986，11(5):288-290.[2] Ashkin A.Acceleration and trapping of particles by radiation pressure [J].Physical Review Letters，1970，24(4): 156-159.[3] 吴智辉，莫华，陈朝旺.光镊技术及其在染色体研究中的应用[J].光学仪器，2010，32(2):23-28.[4] 李勤，胡晓明，冯万力，等.阵列光镊的发展与应用[J].光学技术，2008，34(增刊):286-288.[5] Wu Y，Sun D，Huang W.Mechanical force characterization in manipulating live cells with optical tweezers [J].Journal of Biomechanics，2011，44(4): 741-746.[6] 安莎，彭彤，周兴，等.光学微操纵过程的轴平面显微成像技术[J].物理学报，2017，66(1):1-5.[7] 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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．
螺旋相位片在“光镊技术”中的应用
技信息
０ 科教 前 沿 Ｏ
Ｓ ＩＮＣ ＣＥ Ｅ＆Ｔ Ｃ Ｎ Ｏ ＹＩ Ｆ ＭＡ Ｉ Ｅ Ｈ ＯＬ Ｇ ＯＲ ＴＯＮ Ｎ
２１ ０ ０年
第 ５期
螺旋相位片在“ 光镊技术” 中的应用
袁 素真 袁 地 （ 阳师范 学 院物理 与 电气 工程 学 院 河南 安
【 摘
，
安阳
４ ５０ ） ５ ０ ２
斯 光 束 进 行 改 进 ， 其 通 过 能 够 产 生 附 加 相位 因子 的 螺 旋相 位 片 ， 而 使 高 斯 光 束 带 有 轨 道 角 动 量 ， 样 它 就 具备 了光 学扳 手 所 需 光 源 的 条 让 从 这 解 决 了光 学扳 手 的 光 源— — 高斯 一 盖 尔光 束 比 较 难 产 生 的 问 题 。 拉
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般 来 说 ， 镊 所 选 用 的 光 束 是 高 斯 光 束 。 斯 光 束 的特 点 是 ， 光 高 其
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【 关键词 】 激光技 术； 光学扳 手； 螺旋相位 片 ； 高斯光束
引 言
光 镊 技 术 是 １８ ９ ６年 贝 尔 实 验 室 科 学 家 ＡＡ ｈ ｉ ．ｓｋｎ发 明 的 ｌ 它 是 】 ） ，
的 ， 而 达 到 对 微 粒 的 囚禁 。 从