光的力学效应-光镊原理及应用 《大学物理》系列讲座

光的力学效应—光镊原理及应用朱艳英2014.04.28大学物理系列专题报告（二）1.光的力学效应机理2.光辐射压力——光压3.激光的力学效应（微观,介观,宏观）4.光镊——光的力学效应的典型5.光镊原理及应用提纲光的力学效应？光有力量吗？光子与物体的相互作用从”光与物质的相互作用”说起……有？没有？光的效应:在光的作用下，物体在宏观上产生的各种现象。光的热学效应:光与物体相互作用时物体的温度发生变化.—常见现象光的力学效应:光与物质间交换动量，使受光照射的物体获得一个力或力矩，物体发生位移、速度和角度的变化.—难以察觉(光电效应,磁光效应,光化学效应,康普顿效应……)光与物质相互作用—光的效应光有波粒二向性——光既有波动性又有粒子性。光的粒子性——光束可以看作是由一系列光子流组成。每个光子携带有能量和动量（线性动量和角动量）,光子能量：光子动量：光与物体相互作用时彼此交换能量和动量.cEcνhλhP///λhchvE/1.光的力学效应机理(普朗克常量h=6.63×10-34J·s)光---动量---光压---力2.光辐射压力—光压17世纪，德国天文学家开普勒就猜想彗星的尾巴背向太阳是因为受到太阳的辐射力。2.光辐射压力—光压JCMaxwell:“Inamediuminwhichwavesarepropagatedthereisapressureinthedirectionnormaltothewave,andnumericallyequaltotheenergycontainedinunitofvolume”(1873)——(波在介质中传播，其压力的方向沿波的传播方向，大小等于单位体积波的能量)PNLebedevwasthefirst(1901)tomeasurethepressureoflight,confirmingpredictionsbasedonMaxwell’sequations.Hewasalsothefirsttoshowthatthispressureistwiceasgreatforreflectingsurfacesasforabsorbingsurfaces.(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)单个光子动量很小: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！为什么我们感受不到光的压力？普通光源smkgPh/.10~27为什么我们感受不到光的压力？——因为普通光压太小据估算，当太阳光垂直入射地球表面时，其光压约为：p=0.5达因/平方米。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。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10-8cm)，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)。从此，光的力学效应研究进入了一个全新的时代！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与普通灯光的比较普通光源——自发辐射激光——受激辐射激光优点：高单色性，高亮度，相干性好。激发光放大或光子复制▲激光与微观粒子的相互作用---原子/分子nm级别▲激光与微小宏观(介观)粒子的相互作用---纳米/微米粒子μm级别▲激光与宏观物体的相互作用mm以上级别---激光加工/核聚变/激光武器3.激光的力学效应原子的激光冷却和捕陷S.朱棣文，C.C.达诺基，W.D.菲利浦斯1997年诺贝尔物理学奖激光与微观粒子的相互作用原子冷却——不停热运动的原子速度(v=104~105cm/s)慢下来六束各向同性激光辐射与具有热速度分布原子气体冷却原子的激光冷却—原理图激光扫频法：(FrequencyChirping)基本思想是让冷却激光的频率连续跟随原子多普勒频移的变化，持续保持共振。这种方法在使用中得到了发展，成功地将原子束减速。原子的激光冷却—实验装置图朱棣文1985年所用的仪器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）激光与微观粒子的相互作用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。铷原子速度的分布玻色－爱因斯坦凝聚实现原子复制激光的宏观力学效应世界上较大激光输出脉冲功率达1016w;聚焦强度达8×1013W/cm2;可产生亿度以上的高温,能焊接、加工和切割最难熔的材料世界上最高光压：相应的电场强度可达1021w/cm2;相应的光压达3×1011大气压激光加工激光打孔激光切割激光加工激光快速成型激光焊接Laserfusion激光核聚变可控制地在高温下聚合成重原子核：点火条件(4亿度维持1秒）上海光机所神光Ⅱ号装置反卫星激光武器发射的激光束，辐射强度高，能在空间、时间上，将能量高度集中，具有杀伤破坏作用。它的主要杀伤作用是热效应，即利用高温烧毁或重创太空中的军用卫星。激光束也有一定的冲击效应，使卫星上的零部件损坏或者偏离轨道。反卫星激光武器反卫星激光武器是一种远程战略激光武器光镊——单光束梯度力光阱1986A.Ashkin使用高度会聚激光束产生了非均匀光场，造成梯度力势阱第一台光镊仪器诞生了！激光与微小的宏观粒子(介观粒子)相互作用ArthurAshkin在贝尔实验室中光镊--Opticaltweezers▲用光做的镊子？光镊如何抓取物体？▲光镊基本原理▲光镊力有多大？▲光镊的力学效应的应用光镊是什么？烟草细胞在光镊的操控下定向运动光镊如何抓取物体？光镊操控直径1微米粒子三维空间X-Y平面Z纵方向悬浮微粒光镊的基本原理—散射力aFaFbbFbFaba反射光P0P1ΔP-ΔP二维光学势阱(a)基模高斯光束(b)xoy平面内光强I随偏离光轴距离r的变化图2高斯光束光场分布z0Ior二维光学势阱---光悬浮E香港城市大学发明新激光雷达监测空气污染系统，其原理是当激光遇上空气中的悬浮粒子时便会反射至地上。地面接收器则会分析反射光束的数量，以计算空气的污染情况。最高可探测到5公里上空的空气污染情况光悬浮监测空气污染二维光学势阱—光夹持—双光束捕陷激光制冷技术的基础单光束梯度力阱—三维光学势阱—光镊入射的高斯激光束经过大数值孔径透镜聚焦后形成高度会聚的激光束作用到小球上。当轴外光束a和b穿过小球时被折射，其传播方向趋向于更平行于光轴，则光束的纵向动量变大了。根据动量守恒定律，小球获得了与光束传播方向相反的动量，即小球受到了纵向的拉力——梯度力。激光斑直径mm会聚到μm量级a会聚透镜b激光束fFFaFbabO单光束梯度力阱—光镊1986年，美国贝尔实验室的ArthurAshkin等人发现：单光束高度聚焦的激光可以稳定的捕获直径数纳米到数十微米的微粒。首次实现了单光束梯度力阱，即三位光学势阱，并形象的称之为“光镊”。OaaFbFFabbababaFbFOFaabbObFaFF单光束梯度力阱—光镊光镊操控微粒的现象尤如宇宙黑洞或吸尘器将微粒吸入无底的深渊。阱域、阱深和阱力对于微小的粒子/细胞,几十纳米-几十微米，光的力学效应还是非常大的。可以明显看到光阱周边的粒子以很快的速度/加速度坠入阱中被囚禁，操控的速度相当的快。光镊–光陷阱--一是光强分布具有大的梯度，高度聚焦的激光束形成的激光微束就具有大的强度梯度，这样才能产生足够的梯度力来捕获住微粒。二是粒子的折射率大于周围介质的折射率，这时因为如果，光线穿过粒子时粒子将被从光场强度高的地方推向光场强度低的地方，粒子将被推离光场。在满足上述的基本条件后，微粒能否被稳定地捕获住还涉及物理与生物粒子方面的性质。如激光微束的光波长、激光功率、束腰半径、生物微粒的大小、球半径，极化状态光会聚角、吸收系数和粒子与周围介质的相对折射率，以及球心与光轴的距离和球心与束腰的距离等等。。光镊能够稳定的捕获微粒的首要条件光镊原理小球受光阱力的计算方法A.第一类粒子MieParticle(米氏粒子)当粒子半径R远远大于入射光波在真空中的波长R5所采用的计算方法:采用几何光学的近似算法(射线光学模型)光线PPR22RPTRPT22PTzyo光镊原理射线光学模型(Ray-Optics)ZoMoo2θ0θ/θ/rMr/iRNMXYZOO1O2iτOMwaist光镊原理drfdFzzsin22020米氏粒子所受光阱力：光镊原理B.第二类粒子RayleighParticles(瑞利粒子)当粒子半径R远远小于入射光波在真空中的波长Rλ/20所采用的计算方法：用瑞利散射的理论进行近似计算光镊原理光镊原理C.第三类粒子（R~）介观粒子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(介观领域)，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。光镊原理C.第三类粒子（R~）介观粒子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（FiniteElementMethod)，有限微分时域算法(FDTD)又叫时域有限差分法，离散偶极子近似算法(DiscreteDipoleApproximation)，T矩阵算法（T-matrixmethod）等等光镊原理光镊原理光镊原理光镊—基本操控方法FF′x直接操控-微米粒子间接操控-纳米粒子光镊操纵微粒的尺度：纳米-微米1nm1m1mm1nm1m1mm原子、分子尺度ATMSTM纳微尺度光镊宏观物体一般机械fN（10-15N）-pN（10-12N）1fN/人X60亿--1根发丝---细胞，单分子间的相互作用力传递微小力的使者--微小力的探针！光镊力有多大？光镊---一种特殊的光场形成的光学势阱，它是用光形成的镊子!光镊具有机械镊子抓取物体的功能，是类比机械镊子形象称呼。光镊/光学镊子/光学势阱/三维光学势阱/单光束梯度力势阱研究个体行为的工具！！！自然界，一切宏观现象都是大量个体行为的群体效应，而光镊能够实施对单个微粒(细胞或大分子)的操控。(1)对单个活体生物以非接触的遥控方式，实施无损无菌操控；实时动态跟踪、进行微小力的测量。(2)光镊可以穿过透明封闭系统的表层（细胞膜）操控其内部微粒（细胞器），也可以透过封闭的样品池的外壁，操控池内微粒，实现真正的无菌操作。使得光镊有‘隔墙取物’之功能。(3)光镊是微小力的探针，类似弹簧，是极其灵敏的力传感器。光镊的特点一是光强分布具有大的梯度，经过大数值孔径的透镜聚焦的激光束可以满足这一条件。二是粒子的折射率大于周围介质的折射率，这时因为如果，光线穿过粒子时粒子将被从光场强度高的地方推向光场强度低的地方，粒子将被推离光场。光镊能够稳定的捕获微粒的首要条件▲生命科学--操控，动力学研究解读生命运动规律▲微纳器件--操控，排布，组装，表征新材料和功能器件制造▲分散体系--微粒间相互作用宏观现象的微观机理探索▲光力学教学—线性动量，角动量认知光的基本属性光镊的应用光镊的应用原生质体的融合单个活力精细胞研究激光诱导转基因抗体抗原结合强度分选单条染色体细胞膜弹性的测量分散体系的研究纳米生物学的研究微粒的空间排布教学研究光镊的应用研究运动-----位移/速度，--