2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
１ 习俊梅 ， 国亮． 刘 基于 Ｕ Ｇ的塑料异型材挤出模 Ｃ Ｄ建模系统［］ Ａ Ｊ 机械设 ． 计与制造， ０ （ １：４～ ４ ２ ６ １ ） ３ １６ ０ １ ２ 王庆株 Ｕ ／Ｐ ＮＡ Ｉ ＧＯ Ｅ Ｐ 编程基础［ ］ Ｍ． 北京： 清华大学出版社，０ ２ ２０ ３ 范元勋 ， 庄亚红． Ｇ Ｕ 二次开发工具 的 使用 ［ｊ Ｊ． 电气技术与 自 动化，０２ ２０
， 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。
真空光镊技术
真空光镊技术真空光镊技术是一种利用激光束和真空环境将微米级或纳米级物体精确抓取和操控的先进技术。
它在微电子、生物医学、光学器件等领域具有广泛的应用前景。
本文将从真空光镊技术的原理、优势和应用等方面进行阐述。
我们需要了解真空光镊技术的原理。
真空光镊技术主要通过激光束对微米级或纳米级物体施加辐射压力，将物体固定在光束焦点处。
由于真空环境中没有气体阻力和热传导，可以实现对微小物体的非接触式抓取和操控。
激光光束的功率和焦点位置可以精确控制，从而实现对微小物体的精准操作。
真空光镊技术相比传统的光镊技术具有许多优势。
首先，真空环境中减少了气体分子与物体的碰撞，减小了气体阻力对物体的影响，使得抓取过程更加稳定和可靠。
其次，真空环境中没有气体的热传导，可以避免热对微小物体的损伤，保持物体的完整性。
此外，真空光镊技术操作灵活，可以实现对微小物体的三维精确操控，具有很大的应用潜力。
真空光镊技术在许多领域都有重要的应用价值。
在微电子领域，真空光镊技术可以用于芯片组装、微电子器件的操控和测试等工作。
在生物医学领域，真空光镊技术可以用于细胞操作、单细胞分离和研究等。
在光学器件领域，真空光镊技术可以用于光纤组装、光学器件的调试和测试等。
此外，真空光镊技术还可以应用于纳米加工、纳米材料的制备和研究等方面。
随着科技的不断进步，真空光镊技术也在不断发展和完善。
目前，研究人员正在探索将真空光镊技术与其他技术相结合，以进一步提高其抓取和操控的精确性和效率。
例如，结合扫描电子显微镜技术可以实现对微小物体的实时观察和控制。
此外，还有研究人员尝试将真空光镊技术应用于纳米机器人的制造和操作，以实现更复杂的微纳米尺度操控。
真空光镊技术作为一种先进的微纳米操控技术，在微电子、生物医学、光学器件等领域具有广泛的应用前景。
其原理简单、操作灵活，可以实现对微小物体的精确抓取和操控。
随着科技的不断进步，真空光镊技术还将不断完善和发展，为微纳米尺度操控领域带来更多的创新和突破。
光镊研究与产业现状
图ｌＡ．ＡｓｈｋｉＩｌ在实验室特别报道Ｉ光镊技术光镊研究与产业现状采写编辑：谢婧士黑纵和控制单个原子一直是物理学家追求的目］木标。
光镊是利用光与物质问动量的传递的力学效应而形成的三维梯度光学势阱，是一种可以对活细胞和其他微小物体进行无损伤和非接触性操控的工具。
它是建立在光辐射压原理的基础上的。
早在１６１９年开普勒就曾经提出，光可能有“机械效应”，麦克斯韦在１８７３年、爱因斯坦在１９１７年都对光辐射压理论做过重要贡献。
到了１９６６年，索格金等人发明的可调染料激光器则为进一步探讨“光的机光镊将细胞从正常位置移去的能力，为我们打开了精确研究细胞功能的大门ｏ．——Ａ．Ａｓｈｋｉｎ械特性”和促进其应用提供了条件。
２０世纪７０年代，美国贝尔实验室的学者Ａ．Ａｓｈｋｉｎ（图１）和他的同事在对光子与中性原子的相互作用进行研究时，利用高聚焦单光束成功束缚了水中的乳胶微粒，将辐射压的应用从原子量级扩展到了微米量级。
在此基础上，Ａｓｈｋｉｎ又成功设计了双光束光学势阱，初步实现了利用光压操纵微粒的想法。
合作研究者朱棣文等还因为利用光压原理发展了激光冷却和囚禁原子的方法获得了１９９７年的诺贝尔物理奖。
１９８６年Ａｓｈｌｄｎ把单光束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱，证明其可以在基本不影响周围环境的情况下对捕获物进行亚接触性、无损活体操作，并形象地称其为光镊。
１９８６年问世后光镊技术发展迅速，针对不同种类激光束产生的光镊研究越来越全面，光镊的应用范围也越来越广（图２）。
纳米科学和生命科学被认为是２１世纪很有发展前途的领域，纳米生物学正是这两大领域的交叉产物，其研究的纳米生物体系主要是生物大分子及其复合体。
光镊的发明使在单个生物大分子及其复合体层面上对生命活动进行研究成为可能。
正如Ａｓｈｋｉｎ所说，光镊“为我们打开了精确研究细胞功能的大门”，在生命科学以及介观物理学领域得到了迅速应用并显示出了广阔的应用前景。
应用于纳米层面的光镊的精度也从微米达到了纳米：它可操控对象的尺度达到纳米量级：对微粒的操控定位达到纳米精度：位移测量达到纳米精度；可进行飞牛（ｆＮ）到皮牛（ｐＮ）量级微图２光镊的应用小相互作用力的实时测量。
光镊技术在生物医学中的应用
光镊技术在生物医学中的应用生物医学是一个极其复杂的领域，涉及到许多微观细节和生物过程。
光镊技术是一种重要的研究工具，可以帮助生物学家更好地理解生命的奥秘和开发新的治疗方法。
在这篇文章中，我们将讨论光镊技术在生物医学中的应用，包括单细胞操作、蛋白质相互作用的研究和疾病诊断方法的改进。
光镊技术可以被用于对单细胞进行操作。
在过去，科学家们仅仅可以通过观察整个组织的反应来了解其内在细节。
现在，在光镊技术的帮助下，科学家们可以通过操纵单个细胞来探究其内在运作机制。
这项技术的原理是将激光束聚焦到微小点上，由此产生一个光纤光子的光场。
光镊光源的光功率足以破坏生物分子以达到所需的目的。
同时光镊光的强度足以产生分子的光热效应，从而使分子可以被直接操作。
光镊光可以控制细胞的运动，修剪细胞的形态，或者直接操纵分子组合。
这项技术的实现需要对光学、光器件等多个领域的研发，其中光学设备的稳定与一致性是该技术最主要的挑战。
光镊技术还可以被用于研究蛋白质相互作用。
蛋白质是生命体的重要构成部分，它们对生物体内的各种化学反应起着关键作用。
光镊技术可以将单个蛋白质放置在另一个蛋白质上，并通过光钳的力和位移来操纵它们的关系和作用。
如一个光镊光束的施加可以拉扯两个分子，从而使分子互相顶打会引起一些化学反应，可以通过这种方式来了解分子间的互作用机制。
这种技术对于人类的疾病诊断和治疗方案的设计非常有益。
光镊技术也被用于改进疾病诊断。
传统的疾病诊断方法需要取样及化验，周期长、有侵入性等问题限制其普适性。
而光镊技术通过光激发来激发被检测样品试剂或材料在发光或者荧光，从而可以检测样品内部的生物化学变化。
这项技术可用于实时监测某些疾病，以及诊断人体内部有哪些环境偏差或各类故障。
光镊技术可以通过发射激光束直接照射肿瘤细胞，并通过荧光技术实时检测缺损的部位，从而辅助医生对肿瘤的监测和诊断。
同时，该技术还可以用于病毒检测、药物筛选和生物高分辨成像等方面。
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。
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—研究微观世界的新手段
哈尔滨工程大学理学院 刘志海 副教授
2.光镊原理
2.1光阱力的构成 • 梯度力：来自介质小球中的电偶极矩在不均匀电 磁场中受到的力。它正比与光强的梯度，指向光 场强度的最大处。它的作用效果使得粒子朝向光 功率密度最大的点运动。 • 散射力：来自光在散射过程中与光子交换动量而 获得，被散射的光子动量改变来自于介质对光子 的作用力。它的方向沿着光的传播方向，作用效 果使粒子沿着光束的传播方向运动
3.多种形式的光镊系统
3.多种形式的光镊系统
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2.光镊原理
C.第三类粒子（ R ~
的粒子
）
在实验中，由于尺度与波长相近的粒子易被很牢固地捕捉 所以我们经常用这样的粒子作为探测对象，去研究我们感 兴趣的微观现象。但很不幸，在此尺度内，我们缺少与之 相配的理论，这就给我们带来了数值计算上的困难。 近年来理论发展的方向是，将光阱中光的散射过程视为电 磁散射问题，则通过求解麦克斯韦方程就可以求解光的散 射场。 在电磁场计算领域，求解麦克斯韦方程有多种数值方法： 有限元法（Finite Element Method ) ，有限微分时域算法 (FDTD)，离散偶极子近似算法(Discrete Dipole Approximation)，T矩阵算法（T-matrix method）等等。
• 第一种方法的理论基础很隐晦，作者直接给出了力的表达 式而没有详细说明物理依据和由来[1]。大体上，他认为介 质球所受力等于一个波印亭矢量的变化，而这个变化为施 行FDTD方法时，确定好一个固定的时间步数，先仿真不 存在介质球时波印亭矢量的空间分布情况；当在仿真区域 内放入一介质球时，波印亭矢量的空间分布将发生变化， 而这一变化的大小，作者认为，等同于（或至少正比于） 介质球所受的光作用力。取一合适区域，将这一区域内两 种情况下的场值累加，再用后者减去前者，即可得所受总 作用力：
2.光镊原理
dz
Sphere (n, r)
dx
Z Source center line Optical source PML X
1 1 Fz 0 H y 2S 2
2
0 1 E x
2
0 1 E z
2
dx ReE E dz
0 1 x * z
2.光镊原理
T为电磁场动量流密度张量，或称为电磁场 应力张量(stress tensor)，其面积分表示V外 通过界面S流入到V区域内的动量流，
0 1 E 0 H Tik ik 0 1 Ei E k 0 H i H k 2
2 2
此方法具有如下优点： 1.计算受力时只需要取包围粒子的闭合曲面即可，不必考虑粒子的具体形状，从 而为计算带来极大的方便。 2.此方法计算受力时，实际考虑的是系统内动量的变化，所以计算时不用考虑光 源的形状因素，适合于各种特殊场合、特别是光源无法用解析方程描述的情况下的 应用。
2.光镊原理
• 基于动量守恒原理的光阱力计算方法
电荷受电磁场的作用力由洛仑兹力公式表示。以f表示作用力密度
f E J B
V
d fdV gdV T dV dS T V S dt V
左边是V内电荷系统和电磁场的总动量变化率，右边表 示由V外通过界面S流进V内的动量流。
当粒子半径R远远小于入射光波在真空中的波长
1 R 20
所采用的计算方法：用瑞利散射的理论进行近似计算
2.光镊原理
将粒子视为电偶极子（electric dipole） 应用电偶极子对电磁波的散射理论计算散射力
Fscat ( z, r ) 8 n2 4 6 m 1 k a 2 m 2 S ( z, r ) 3 c
2.光镊原理
2.2小球受光阱力的计算方法
A.第一类粒子Mie Particle
当粒子半径R远远大于入射光波在真方法:
采用几何光学的近似算法(射线光学模型 )
2.光镊原理
2.光镊原理
B.第二类粒子Rayleigh Particles
2
2 2 2 0
2
T
应用感应电偶极子受洛仑兹力计算梯度力
Fgrad ( z, r ) 8n2 a c
2
3
m 1 Pw 2 m 2 z2 R
2 r 2 / wi2 r 2 / wr
( z z 0 )e 2 r wi6
2
2
Fx
1 1 2 0 H y 2S
2
0 1 E z
2
0 1 E x
2
dz ReE E dx
0 1 x * z
近场光镊
利用探针尖 端附近局域 增强场所产 生的强梯度 力来捕获纳 米微粒。
3.多种形式的光镊系统
近场光镊
3.多种形式的光镊系统