光的力學(xué)效應(yīng)-光鑷

光鑷技術(shù)

——光鑷技術(shù)的原理與應(yīng)用理學(xué)院物理包玉提綱光的力學(xué)效應(yīng)原理光鑷簡介光鑷原理與特點(diǎn)光鑷的應(yīng)用光的力學(xué)效應(yīng)光的力學(xué)效應(yīng)？光有力量嗎？從“光與物質(zhì)的相互作用”說起……光的效應(yīng)光的熱學(xué)效應(yīng)：陽光照射我們，我們會(huì)感到暖。（常見的效應(yīng)）光的力學(xué)效應(yīng)：光照射物體交換動(dòng)量，使光照射的物體受一個(gè)力或力矩，物理發(fā)生速度、角速度、位移的變化（微小難以察覺）光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)……光的力學(xué)效應(yīng)原理

光輻射壓力——光壓光子具有動(dòng)量，撞擊物體傳遞動(dòng)量，用時(shí)T時(shí)間，那么物體就會(huì)收到一個(gè)力?？捎?jì)算出這個(gè)力。

普通光源的力學(xué)效應(yīng)微乎其微！光子密度低，方向性差。實(shí)驗(yàn)觀測和測量極其困難！1960年激光問世激光特點(diǎn)：高單色性、高亮度、方向性好。

光鑷簡介光鑷是以激光的力學(xué)效應(yīng)為基礎(chǔ)的以種物理工具，利用強(qiáng)會(huì)聚的光場與微粒相互作用時(shí)形成的光學(xué)勢阱來俘獲粒子。1969年實(shí)現(xiàn)了對水中的玻璃小球的捕獲。1986年發(fā)現(xiàn)單束激光足以形成三維穩(wěn)定光學(xué)勢阱，可以吸引微粒并局限于焦點(diǎn)附近。近年來越來越發(fā)展突出，已在醫(yī)學(xué)界受到廣大研究者的青睞。光懸浮——光捕獲——光致旋轉(zhuǎn)光鑷的原理光鑷：單光束梯度力光阱的形象稱呼?？刹僮鲙资{米到幾十微米尺度的微粒。（這個(gè)尺度正好是細(xì)胞、細(xì)胞器、生物大分子的尺度）梯度力：以玻璃小球?yàn)槔ㄖ睆酱笥诠獾牟ㄩL），由于折射率不同于周圍而折射導(dǎo)致在一定方向上物理受力。光的熱效應(yīng)的減弱：改變光的波長選取熱效應(yīng)最小的單色光。凸透鏡玻璃小球波動(dòng)光學(xué)理論和電磁模型：波動(dòng)光學(xué)理論認(rèn)為,在光軸方向有一對作用力:與入射光同向正比于光強(qiáng)的散射力和與光強(qiáng)梯度同向正比于強(qiáng)度梯度的梯度力。梯度力與散射力的比值大于1，這樣合力就指向焦點(diǎn)處，能夠?qū)崿F(xiàn)對微粒的捕捉。起初，光鑷的光場基本是低階的高斯光束，然而這種光場的捕獲范圍和縱向深度都十分有限，而且光鑷如果要想獲得更加廣泛的應(yīng)用，就必須結(jié)合各種新型光場來實(shí)現(xiàn)各種特殊、復(fù)雜的操縱功能。當(dāng)下備受關(guān)注的新型光場主要有：渦旋光束、非衍射和自修復(fù)光束、自加速光束以及矢量光束。新型光鑷光場渦旋光束與相位奇點(diǎn)相關(guān)，本身攜帶軌道角動(dòng)量，在與物質(zhì)相互作用過程中可以將角動(dòng)量傳遞給微粒，從而導(dǎo)致微粒在光場中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。常見的渦旋光束有拉蓋爾高斯光束(Laguerre-Gaussianbeam)和高階貝塞爾光束(Besselbeam)。貝塞爾光束同時(shí)也屬于非衍射光束，相比于高斯型光束，貝塞爾光束可傳播較遠(yuǎn)距離而保持中心光斑的大小和尺寸基本不變。由于貝塞爾光束在傳播過程中具有很好的穩(wěn)定性，故被用于引導(dǎo)微粒沿軸向輸運(yùn)距離可達(dá)3mm，這個(gè)間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高斯型光束的光鑷的軸向捕獲深度。并且，在軸向3mm距離中可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)平面長距離捕獲多微粒，如圖所示。非衍射光束還包括馬提厄光束、拋物線光束、艾里光束等。拋物線光束和艾里光束也是一種自加速光束。自加速光束在沿軸向傳播過程中以某個(gè)角度彎曲而不沿直線傳播，看起來像是在自由空間中加速。這種光束在光操控中可以用于沿著設(shè)定的軌跡輸運(yùn)微粒，如圖所示。自加速光束還有韋伯光束(Weberbeam)和螺旋光束(spiralbeams)等。光鑷的應(yīng)用光鑷的應(yīng)用細(xì)胞膜彈性的測量原生質(zhì)體的融合激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)基因微粒的空間分布教學(xué)研究分散體系的研究納米生物學(xué)的研究單個(gè)活力精細(xì)胞研究抗體抗原結(jié)合強(qiáng)度分選單條染色體光鑷與細(xì)胞生物學(xué)光鑷技術(shù)實(shí)現(xiàn)了光鑷捕捉、拖動(dòng)、損傷細(xì)胞和深入到細(xì)胞內(nèi)部操控細(xì)胞的功能。Ashkin預(yù)言“將細(xì)胞器從它們正常位置移去的能力，將打開精細(xì)研究細(xì)胞功能的大門”。光鑷操控細(xì)胞和細(xì)胞器的手段是多種多樣的，包括懸浮、移動(dòng)、分選、融合等，還可以定量的測量細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)以及細(xì)胞間的相互作用。隨著光鑷技術(shù)的成熟以及與更多的技術(shù)結(jié)合，如微分干涉和熒光技術(shù)，脈沖激光技術(shù)、激光拉曼技術(shù)、全息技術(shù)、共聚焦技術(shù)、磁鑷技術(shù)等，使得在實(shí)時(shí)測量細(xì)胞的變化，細(xì)胞的相互作用，細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)等方面的研究更加深入的展開。分選單挑染色體(a)游離的水稻中期分裂相細(xì)胞;(b)紫外脈沖光對細(xì)胞穿孔使之破裂，釋放出染色體;(c)熒光激發(fā)下觀測染色體，用光鑷夾持其中單條染色體;(d)~(f)光鑷夾持單條染色體使其從細(xì)胞殘骸(染色體群體)中分離出來;(g)~(h)利用微吸管將光鑷分離的染色體富集操控動(dòng)物活體內(nèi)紅細(xì)胞(a)光鑷操控小白鼠耳朵毛細(xì)血管中的紅細(xì)胞示意圖;(b)光鑷誘導(dǎo)紅細(xì)胞疏通血管恢復(fù)正常血液流動(dòng)光鑷與物理學(xué)光鑷在物理學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用，可以證實(shí)以前無法通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的物理規(guī)律，增進(jìn)人們對于已有的物理現(xiàn)象和規(guī)律的認(rèn)識(shí)，還能為物理的其他學(xué)科領(lǐng)域提供新的研究方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，例如在光的力學(xué)效應(yīng)驗(yàn)證和力的精確測量、聲學(xué)顯微、布朗運(yùn)動(dòng)、納米技術(shù)、量子力學(xué)等應(yīng)用，表明光鑷正日益成為促進(jìn)物理學(xué)進(jìn)展的重要工具。布朗運(yùn)動(dòng)的新認(rèn)識(shí)1907年，愛因斯坦認(rèn)為能量均分定理適用于布朗微粒，但是因?yàn)閱蝹€(gè)微粒的瞬時(shí)速度變化太快，所以這個(gè)預(yù)言難以從實(shí)驗(yàn)上直接證明。2010年Science雜志報(bào)道，采用光鑷技術(shù)在真空中測量了微粒的瞬時(shí)速度，首次從實(shí)驗(yàn)上成功地驗(yàn)證了布朗微粒符合能量均分定理。光鑷測量布朗粒子的瞬時(shí)速度的方法，如下圖所示。兩束正交偏振相向傳播的光束形成的光阱將3μm小球懸浮在空中。采用快速的位置探測器，嚴(yán)格均等分開的兩束探測光強(qiáng)信號(hào)的差別獲取小球位置信息。測量得到單個(gè)微粒