光的力學效應(yīng)-光鑷原理及應(yīng)用--《大學物理》系列講座

1、光的力學效應(yīng) —光鑷原理及應(yīng)用,朱艷英,2014.04.28,系列專題報告（二）,1.光的力學效應(yīng)機理2.光輻射壓力——光壓3.激光的力學效應(yīng) （微觀,介觀,宏觀）4.光鑷——光的力學效應(yīng)的典型5.光鑷原理及應(yīng)用,提 綱,光的力學效應(yīng)？光有力量嗎？,光子與物體的相互作用,從”光與物質(zhì)的相互作用”說起……,有？沒有？,光的效應(yīng): 在光的作用下，物體在宏觀上產(chǎn)生的各種現(xiàn)象。光的熱學效應(yīng): 光與

2、物體相互作用時物體的溫度發(fā)生變化.—常見現(xiàn)象光的力學效應(yīng): 光與物質(zhì)間交換動量，使受光照射的物體獲得一個力或力矩，物體發(fā)生位移、速度和角度的變化. —難以察覺 (光電效應(yīng),磁光效應(yīng),光化學效應(yīng), 康普頓效應(yīng)……),光與物質(zhì)相互作用—光的效應(yīng),光有波粒二向性——光既有波動性又有粒子性。 光的粒子性——光束可以看作是由一系列光子流組成。 每個光子攜帶有能量和動量（線性動量和角動量）, 光子能量：

3、 光子動量： 光與物體相互作用時彼此交換能量和動量.,1.光的力學效應(yīng)機理,(普朗克常量 h=6.63×10-34 J·s),光---動量--- 光壓---力,,2.光輻射壓力—光壓,17世紀，德國天文學家,開普勒就猜想彗星的尾巴背向太陽是因為受到太陽的輻射力。,,2.光輻射壓力—光壓,J C Maxwell: “In a medium

4、in which waves are propagated there is a pressure in the direction normal to the wave, and numerically equal to the energy contained in unit of volume”(1873)——(波在介質(zhì)中傳播，其壓力的方向沿波的傳播方向，大小等于單位體積波的能量),P N Lebedev was the firs

5、t (1901) to measure the pressure of light, confirming predictions based on Maxwell’s equations. He was also the first to show that this pressure is twice as great for reflecting surfaces as for absorbing surfaces. (列別捷夫

6、1901年基于麥克斯韋方程組首次測量光壓力，該壓力一部分從物體表面反射，一部分被物體表面吸收),單個光子動量很小: 普通光源的力學效應(yīng)微乎其微！ 光子密度低，方向性差！ 實驗觀測和測量極其困難！,為什么我們感受不到光的壓力？,普通光源,為什么我們感受不到光的壓力？ ——因為普通光壓太小,據(jù)估算，當太陽光垂直入射地球表面時，其光壓約為：p = 0.5 達因/平方米。 達因：質(zhì)量為1克的物體產(chǎn)

7、生1厘米/秒2的加速度所需要的力0.00001牛頓） 1達因/平方米是標準大氣壓的億萬分之一 。,激光的特點：方向性好，高亮度 例如：10mw的 He-Ne 激光，亮度是太陽的一萬倍！ 對于一臺光強呈高斯型分布，功率為10mw的氦氖激光器發(fā)射的激光束，若光束發(fā)散角為2´，把激光聚焦到光學衍射極限光斑(約10-8 cm)，其單位面積的光功率密度將是太陽光的108倍，把一個1微

8、米量級的電介質(zhì)小球置于此氦氖激光聚焦點處，小球?qū)艿?06達因的輻射壓力，從而產(chǎn)生105g的加速度 (g為重力加速度)。 從此，光的力學效應(yīng)研究進入了一個全新的時代！,,1960年激光問世,-----高的光子流密度的激光束,第一臺紅寶石激光器組件,激光與普通燈光的比較,普通光源——自發(fā)輻射,激光——受激輻射,激光優(yōu)點：高單色性，高亮度，相干性好。,激發(fā)光放大或光子復(fù)制,▲ 激光與微觀粒子的相互作用 ---原子/分

9、子 nm 級別▲ 激光與微小宏觀(介觀)粒子的相互作用 ---納米/微米粒子 μm 級別▲ 激光與宏觀物體的相互作用 mm以上級別 ---激光加工/核聚變/激光武器,3.激光的力學效應(yīng),原子的激光冷卻和捕陷S. 朱棣文 ，C.C.達諾基， W.D.菲利浦斯 1997年 諾貝爾物理學獎,激光與微觀粒子的相互作用,原子冷卻——不停熱運動的原子速度(v =104~ 105cm/s)慢下來,六束各向

10、同性激光輻射與具有熱速度分布原子氣體冷卻,,原子的激光冷卻—原理圖,激光掃頻法：(Frequency Chirping) 基本思想是讓冷卻激光的頻率連續(xù)跟隨原子多普勒頻移的變化，持續(xù)保持共振。,這種方法在使用中得到了發(fā)展，成功地將原子束減速。,原子的激光冷卻—實驗裝置圖,朱棣文1985年所用的儀器,1985年，朱棣文用兩種不同的方法(二維光學勢阱和磁光量子阱)實現(xiàn)原子冷卻，溫度冷卻到2.4×10-4 開爾文(K)。 1

11、986年光鑷的出現(xiàn)，才真正實現(xiàn)原子的三維捕獲（10-4K）,激光與微觀粒子的相互作用,這項研究促進了玻色－愛因斯坦凝聚的研究---2001年 諾貝爾物理學獎——C.E.維曼， E.A.康奈爾，W.克特勒因發(fā)現(xiàn)了“堿金屬原子稀薄氣體的玻色-愛因斯坦凝聚”這一新的物質(zhì)狀態(tài),原子冷卻達到了絕對零度高0.5納開爾文nK的溫度。,銣原子速度的分布玻色－愛因斯坦凝聚,實現(xiàn)原子復(fù)制,激光的宏觀力學效應(yīng),世界上較大激光輸出脈沖功率達1016w ;

12、聚焦強度達 8×1013W/cm2 ;可產(chǎn)生億度以上的高溫, 能焊接、加工和 切割最難熔的材料世界上最高光壓：相應(yīng)的電場強度可達 1021w/cm2 ;相應(yīng)的光壓達 3×1011 大氣壓,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,Laser fusion激光核聚變,可控制地在高溫下聚合成重原子核：點火條件 (4億度維持1秒）,上海光機所神光Ⅱ號裝置,,反衛(wèi)星激光武器發(fā)射的激光束

13、，輻射強度高，能在空間、時間上，將能量高度集中，具有殺傷破壞作用。它的主要殺傷作用是熱效應(yīng)，即利用高溫燒毀或重創(chuàng)太空中的軍用衛(wèi)星。激光束也有一定的沖擊效應(yīng)，使衛(wèi)星上的零部件損壞或者偏離軌道。,,反衛(wèi)星激光武器,反衛(wèi)星激光武器是一種遠程戰(zhàn)略激光武器,光 鑷 ——單光束梯度力光阱 1986 A. Ashkin 使用高度會聚激光束產(chǎn)生了非均勻光場，造成梯度力勢阱 第一臺光鑷儀器誕生了！,,激光與微小的宏觀粒子(介觀粒子)

14、相互作用,Arthur Ashkin在貝爾實驗室中,光鑷 -- Optical tweezers ▲ 用光做的鑷子？ 光鑷如何抓取物體 ？ ▲ 光鑷基本原理 ▲ 光鑷力有多大？ ▲ 光鑷的力學效應(yīng)的應(yīng)用,光鑷是什么？,,煙草細胞在光鑷的操控下定向運動,光鑷如何抓取物體 ？,,光鑷操控直徑1微米粒子,三維空間X-Y平面Z縱方向懸浮微粒,,光鑷的基本原理—散射力,,二維光學勢阱,(a) 基模高斯光束 (b) x

15、oy平面內(nèi)光強I隨偏離光軸距離r的變化圖 2 高斯光束光場分布,,二維光學勢阱---光懸浮,香港城市大學發(fā)明新激光雷達監(jiān)測空氣污染系統(tǒng)， 其原理是當激光遇上空氣中的懸浮粒子時便會反射至地上。 地面接收器則會分析反射光束的數(shù)量，以計算空氣的污染情況。 最高可探測到5 公里上空的空氣污染情況,光懸浮監(jiān)測空氣污染,二維光學勢阱—光夾持 —雙光束捕陷,激光制冷技

16、術(shù)的基礎(chǔ),單光束梯度力阱—三維光學勢阱—光鑷,入射的高斯激光束經(jīng)過大數(shù)值孔徑透鏡聚焦后形成高度會聚的激光束作用到小球上。當軸外光束a和b穿過小球時被折射，其傳播方向趨向于更平行于光軸，則光束的縱向動量變大了。根據(jù)動量守恒定律，小球獲得了與光束傳播方向相反的動量，即小球受到了縱向的拉力——梯度力。激光斑直徑mm會聚到μm量級,,單光束梯度力阱—光鑷,1986年，美國貝爾實驗室的Arthur Ashkin等人發(fā)現(xiàn)：單光束高度聚焦的激光可

17、以穩(wěn)定的捕獲直徑數(shù)納米到數(shù)十微米的微粒。首次實現(xiàn)了單光束梯度力阱，即三位光學勢阱，并形象的稱之為“光鑷”。,,,,,單光束梯度力阱—光鑷,光鑷操控微粒的現(xiàn)象尤如宇宙黑洞或吸塵器將微粒吸入無底的深淵。 阱域、阱深和阱力對于微小的粒子/細胞,幾十納米-幾十微米，光的力學效應(yīng)還是非常大的。可以明顯看到光阱周邊的粒子以很快的速度/加速度墜入阱中被囚禁，操控的速度相當?shù)目臁?光鑷– 光陷阱--,一是光強分布具有大的梯度，高度聚焦的激光

18、束形成的激光微束就具有大的強度梯度，這樣才能產(chǎn)生足夠的梯度力來捕獲住微粒。 二是粒子的折射率大于周圍介質(zhì)的折射率，這時因為如果，光線穿過粒子時粒子將被從光場強度高的地方推向光場強度低的地方，粒子將被推離光場。 在滿足上述的基本條件后，微粒能否被穩(wěn)定地捕獲住還涉及物理與生物粒子方面的性質(zhì)。如激光微束的光波長、激光功率、束腰半徑、生物微粒的大小、 球半徑，極化狀態(tài)光會聚角、吸收系數(shù)和粒子與周圍介質(zhì)的相對折射率，以及球心與光軸的距

19、離和球心與束腰的距離等等。。,光鑷能夠穩(wěn)定的捕獲微粒的首要條件,光鑷原理,小球受光阱力的計算方法A.第一類粒子Mie Particle(米氏粒子)當粒子半徑R遠遠大于入射光波在真空中的波長 R > 5?所采用的計算方法: 采用幾何光學的近似算法(射線光學模型 ),,光鑷原理,射線光學模型 (Ray-Optics),,,,,,光鑷原理,米氏粒子所受光阱力：,光鑷原理,B

20、.第二類粒子Rayleigh Particles(瑞利粒子)當粒子半徑R遠遠小于入射光波在真空中的波長R <λ/20所采用的計算方法： 用瑞利散射的理論進行近似計算,光鑷原理,光鑷原理,C.第三類粒子（ R ~?）介觀粒子在實驗中，由于尺度與波長相近的粒子易被很牢固地捕捉。所以我們經(jīng)常用這樣的粒子作為探測對象，去研究我們感興趣的微觀現(xiàn)象。但很不幸，在此尺度內(nèi)(介觀領(lǐng)域)，我們?nèi)鄙倥c之相配的理論，這就給我們帶來了數(shù)

21、值計算上的困難。,光鑷原理,C.第三類粒子（ R ~?）介觀粒子近年來理論發(fā)展的方向是，將光阱中光的散射過程視為電磁散射問題，則通過求解麥克斯韋方程就可以求解光的散射場。在電磁場計算領(lǐng)域，求解麥克斯韋方程有多種數(shù)值方法：有限元法（Finite Element Method ) ，有限微分時域算法(FDTD)又叫時域有限差分法，離散偶極子近似算法(Discrete Dipole Approximation)，T矩陣算法（T-matri

22、x method）等等,光鑷原理,光鑷原理,光鑷原理,,,光鑷—基本操控方法,直接操控-微米粒子 間接操控-納米粒子,,光鑷操縱微粒的尺度：納米-微米,,fN（10-15N）-pN（10-12N） 1 fN/人 X60億 -- 1根發(fā)絲 ---細胞，單分子間的相互作用力 傳遞微小力的使者 --微小力的探針！,光鑷力有多大 ？,光鑷--- 一種特殊的光場形成的光學

23、勢阱，它是用光形成的鑷子! 光鑷具有機械鑷子抓取物體的功能，是類比機械鑷子形象稱呼。 光鑷/ 光學鑷子/ 光學勢阱/ 三維光學勢阱/ 單光束梯度力勢阱,研究個體行為的工具?。?！自然界，一切宏觀現(xiàn)象都是大量個體行為的群體效應(yīng)，而光鑷能夠?qū)嵤蝹€微粒(細胞或大分子)的操控。(1)對單個活體生物以非接觸的遙控方式，實施無損無菌操控；實時動態(tài)跟蹤、進行微小力的測量。(2) 光鑷可以穿過透明封閉系統(tǒng)

24、的表層（細胞膜）操控其內(nèi)部微粒（細胞器），也可以透過封閉的樣品池的外壁，操控池內(nèi)微粒，實現(xiàn)真正的無菌操作。使得光鑷有‘隔墻取物’之功能。(3)光鑷是微小力的探針，類似彈簧，是極其靈敏的力傳感器。,光鑷的特點,一是光強分布具有大的梯度，經(jīng)過大數(shù)值孔徑的透鏡聚焦的激光束可以滿足這一條件。 二是粒子的折射率大于周圍介質(zhì)的折射率，這時因為如果，光線穿過粒子時粒子將被從光場強度高的地方推向光場強度低的地方，粒子將被推離光場。,光鑷能夠穩(wěn)定的

25、捕獲微粒的首要條件,▲ 生命科學--操控，動力學研究 解讀生命運動規(guī)律▲ 微納器件--操控，排布，組裝，表征 新材料和功能器件制造▲ 分散體系--微粒間相互作用 宏觀現(xiàn)象的微觀機理探索▲ 光力學教學—線性動量，角動量 認知光的基本屬性,光鑷的應(yīng)用,光鑷的應(yīng)用,,光鑷的應(yīng)用研究,運動-----位移/速度， ----

26、-力，大小/方向， -----結(jié)合/分離 -----相互作用 特性-----結(jié)構(gòu)和功能 力學量是表征生命過程的重要參量！ 單分子水平上探索生命運動的規(guī)律！,生命過程—運動—力,光鑷應(yīng)用—生物大分子的動力學研究,國際前沿發(fā)展趨勢,,光鑷技術(shù)更多的是用于研究生物大分子 十幾年來已突破了許多“禁區(qū)”,人類首次實際測量到由化學能轉(zhuǎn)變

27、成機械能的原動力—肌肉運動的原始動力過程,驅(qū)動蛋白分子吸收一個ATP能量后的分布運動狀態(tài)，運動步長為8納米。,國際研究成果舉例,《Nature》 刊登報道：生物大分子 精細操作,雙光鑷對肌動蛋白進行打結(jié),國際研究成果舉例,《Science》刊登報道：光鑷控制粘有肌動蛋白的小球接觸微管,研究其運動特性.,光鑷研究DNA折疊動力學過程 研究,光鑷已成為研究DNA動力學的不可或缺的工具,國際研究成果舉例,光鑷研究DNA的縮合及解開,光

28、鑷已成為研究DNA動力學的不可或缺的工具,國際研究成果舉例,光鑷牽拉血紅細胞膜/形狀由橢圓變成橄欖型,光鑷研究細胞膜實驗方法,細胞膜彈性的測量,煙草細胞原生質(zhì)體的融合,單細胞融合,光鑷操控單細胞融合實驗方法,,光鑷分選單條染色體,條染色體群,水稻細胞,細胞殘核,熒光標記,完整的細胞在脈沖激光的作用下被打碎，染色體（右下圖中發(fā)亮的短棒）從細胞中被釋放出來,,光鑷分選單條染色體,染色體在光鑷的拖動下從細胞碎片中脫離出來，并被移至空曠的環(huán)境

29、，然后用空心玻璃微管收集（微管尖端直徑2μm）,,——微米粒子穩(wěn)定的空間排布,48個2微米聚苯乙烯小球組合而成,平面構(gòu)圖,側(cè)面觀察，由四個小球壘成支撐柱。,光鑷操控單粒子,立體構(gòu)建,分散體系中微粒的聚集通常都是隨機的。用逐個操控單個粒子的方法。按設(shè)定要求排布出具有穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)的粒子聚集體。,光鑷在三維空間排布微粒,納微器件，微機械，生物器件的組裝和表征,光鑷捕獲聚苯乙烯小球，小球直徑約50μm,我們的工作,光鑷捕獲、三位操縱酵母菌

30、細胞,我們的工作,光鑷捕獲酵母細胞（使用40X物鏡）,光鑷捕獲、三維操控血紅細胞,我們的工作,光鑷捕獲血紅細胞（使用25X物鏡）,毛細管中移動酵母菌細胞,我們的工作,在直徑50微米的毛細管中移動酵母菌細胞,光鑷技術(shù)是典型的交叉學科技術(shù)，包括物理學、生物物理、生物工程、生物醫(yī)學、光信息、光電子、測控、微電子機械系統(tǒng)等學科、學科交叉是當代科學技術(shù)發(fā)展的主要特征和動力源。 光的力學效應(yīng)是正走向蓬勃發(fā)展的學科，將有一個很長的歷史時期。