光力学效应-光镊原理及应用《大学物理》系列讲座

1、 光的力学效应光的力学效应 光镊原理及应用光镊原理及应用朱艳英朱艳英2014.04.28 系列专题报告（二）系列专题报告（二） 1.1.光的力学效应机理光的力学效应机理2.2.光辐射压力光辐射压力光压光压3.3.激光的力学效应激光的力学效应 （微观（微观, ,介观介观, ,宏观）宏观）4.4.光镊光镊光的力学效应的典型光的力学效应的典型5.5.光镊原理及应用光镊原理及应用 提提 纲纲 光的力学效应？光的力学效应？光有力量吗？光有力量吗？光子与物体的相互作用光子与物体的相互作用从从”光与物质光与物质的相互作用的相互作用”说起说起有？没有？ 光的效应光的效应: 在光的作用下，物体在宏观上产生的各种

2、现象。在光的作用下，物体在宏观上产生的各种现象。光的热学效应光的热学效应: 光与物体相互作用时物体的温度发生变化光与物体相互作用时物体的温度发生变化.常见现象常见现象光的力学效应光的力学效应: 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、速度和角度的变化矩，物体发生位移、速度和角度的变化. 难以察觉难以察觉 ( (光电效应光电效应, ,磁光效应磁光效应, ,光化学效应光化学效应, , 康普顿效应康普顿效应) 光与物质相互作用光与物质相互作用光的效应光的效应 光有波粒二向性光有波粒二向性光既有波动性又有粒子性。光既有波动性

3、又有粒子性。 光的粒子性光的粒子性光束可以看作是由光束可以看作是由一系列光子流一系列光子流组成。组成。 每个光子携带有能量和动量（线性动量和角动量）每个光子携带有能量和动量（线性动量和角动量）, 光子能量光子能量： 光子动量光子动量： 光与物体相互作用时彼此交换能量和动量光与物体相互作用时彼此交换能量和动量.cEchhP/hchvE/1.1.光的力学效应机理光的力学效应机理 (普朗克常量 h=6.6310-34 Js)光光-动量动量- - 光压光压-力力 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J C Maxwell:

4、“In a medium 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)P N Lebedev was the first (1901) to measure the pressure of light, confirming predictions base

5、d on Maxwells equations. He was also the first to show that this pressure is twice as great for reflecting surfaces as for absorbing surfaces. (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) 单个光子动量很小单个光子动量很小: : 普通光源的力学效应微乎其微！普通光源的力学效应微乎其微！ 光子密度低，方向性差！光子密度低，方向性差！ 实验观测和测量极其困难！实验观测和测量极其困难！ 为什么我们感受

6、不到光的压力？为什么我们感受不到光的压力？普通光源普通光源smkgPh/.1027 为什么我们感受不到光的压力？为什么我们感受不到光的压力？ 因为普通光压太小因为普通光压太小 据估算，当太阳光垂直入射地球表面时，其光压据估算，当太阳光垂直入射地球表面时，其光压约为：约为：p = 0.5 达因达因/平方米。平方米。 达因达因：质量为：质量为1克的物体产生克的物体产生1厘米厘米/秒秒2的加速度的加速度所需要的力所需要的力0.00001牛顿）牛顿） 1 1达因达因/ /平方米是标准大气压的亿万分之一平方米是标准大气压的亿万分之一 。 激光的特点：方向性好，高亮度激光的特点：方向性好，高亮度 例如：例

7、如：10mw10mw的的 He-Ne He-Ne 激光，激光，亮度是太阳的一万倍亮度是太阳的一万倍！ 对于一台光强呈高斯型分布，功率为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的氦氖激光器发射的激光束，若光束发散角为光束，若光束发散角为2 ，把激光聚焦到光学衍射极限光斑，把激光聚焦到光学衍射极限光斑(约约10-8 cm)，其单位面积的，其单位面积的光功率密度将是太阳光的光功率密度将是太阳光的108倍倍，把一个，把一个1微米量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达因的达因的辐射压力辐射压力，从而产生，从

8、而产生105g的加速度的加速度 (g为重力加速度为重力加速度)。 从此，光的力学效应研究进入了一个全新的时代！从此，光的力学效应研究进入了一个全新的时代！ 19601960年激光问世年激光问世-高的光子流密度的激光束高的光子流密度的激光束 第一台红宝石激光器组件第一台红宝石激光器组件 激光激光与与普通灯光普通灯光的比较的比较普通光源普通光源自发辐射自发辐射激光激光受激辐射受激辐射激光激光优点：优点：高单色性，高亮度，相干性好。高单色性，高亮度，相干性好。激发光放大激发光放大或或光子复制光子复制 激光与激光与微观微观粒子粒子的相互作用的相互作用 -原子原子/ /分子分子 nmnm 级别级别 激光

9、与激光与微小宏观微小宏观( (介观介观) )粒子的相互作用粒子的相互作用 -纳米纳米/ /微米粒子微米粒子 mm 级别级别 激光与激光与宏观物体宏观物体的相互作用的相互作用 mmmm以上级别以上级别 -激光加工激光加工/ /核聚变核聚变/ /激光武器激光武器3.3.激光的力学效应激光的力学效应 原子的激光冷却和捕陷原子的激光冷却和捕陷S. S. 朱棣文朱棣文 ，C.C.C.C.达诺基，达诺基， W.D.W.D.菲利浦斯菲利浦斯 19971997年年 诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖 激光与微观粒子的相互作用激光与微观粒子的相互作用原子冷却原子冷却不停热运动的原子不停热运动的原子速度速度(v =10

10、4 105cm/s)慢下来慢下来 原子的激光冷却原子的激光冷却原理图原理图 原子的激光冷却原子的激光冷却实验装置图实验装置图朱棣文朱棣文19851985年所用的仪器年所用的仪器 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2.410-4 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激光与微观粒子的相互作用 这项研究促进了玻色爱因斯玻色爱因斯坦凝聚坦凝聚的研究-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

11、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玻色爱因斯坦凝聚实现原子复制实现原子复制 激光的宏观力学效应激光的宏观力学效应世界上较大激光输出脉冲功率达世界上较大激光输出脉冲功率达10101616w w ; ;聚焦强度达聚焦强度达 8 810101313W/cmW/cm2 2 ; ;可产生亿度以上的高温可产生亿度以上的高温, , 能焊接、加工和能焊接、加工和 切割切割最难熔的材料最难熔的材料世界上最高光压世界上最高光压：相应的电场强度可达相应的电场强度可达 10102121w/cmw/cm2 2 ; ;相应的相应的光压光压达达 3 310101111 大气压大气

12、压 激光加工激光加工激光打孔激光打孔激光切割激光切割 激光加工激光加工激光快速成型激光快速成型激光焊接激光焊接 Laser fusion激光核聚变激光核聚变可控制地在高温下聚合成重可控制地在高温下聚合成重原子核：原子核：点火条件点火条件 (4(4亿度亿度维持维持1 1秒）秒） 上海光机所神光上海光机所神光号装置号装置 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反卫星激光武器是一种远程战略激光武

13、器 光光 镊镊 单光束梯度力光阱单光束梯度力光阱 1986 A. Ashkin 1986 A. Ashkin 使用高度会聚激光束产生了使用高度会聚激光束产生了非均匀光场，造成非均匀光场，造成梯度力势阱梯度力势阱 第一台光镊仪器诞生了！第一台光镊仪器诞生了！激光与微小的宏观粒子激光与微小的宏观粒子(介观粒子介观粒子)相互作用相互作用 Arthur Ashkin在贝尔实验室中在贝尔实验室中 光镊光镊 - - Optical tweezers 用光做的镊子？用光做的镊子？ 光镊如何抓取物体光镊如何抓取物体 ？ 光镊基本原理光镊基本原理 光镊力有多大？光镊力有多大？ 光镊的力学效应的应用光镊的力学效应

14、的应用光镊是什么？光镊是什么？ 烟草细胞在烟草细胞在光镊的操控光镊的操控下定向运动下定向运动光镊如何抓取物体光镊如何抓取物体 ？ 光镊操控直径光镊操控直径1 1微米粒子微米粒子三维空间三维空间X-YX-Y平面平面Z Z纵方向纵方向悬浮微粒悬浮微粒 光镊的基本原理光镊的基本原理散射力散射力 二维光学势阱二维光学势阱(a) 基模高斯光束基模高斯光束 (b) xoy平面内光强平面内光强I随偏离光轴距离随偏离光轴距离r的变化的变化图图 2 高斯光束光场分布高斯光束光场分布 二维光学势阱二维光学势阱-光悬浮 香港城香港城市市大大学学发明新激光雷达监发明新激光雷达监测空气污染系统测空气污染系统， 其原理是

15、其原理是当激光遇上空气中的悬当激光遇上空气中的悬浮粒子时便会反射至地上。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。数量，以计算空气的污染情况。 最高可探测到最高可探测到5 公里上空的空气公里上空的空气污染情况污染情况光悬浮监测空气污染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激光制冷技术的基础 单光束梯度力阱单光束梯度力阱三维光学势阱三维光学势阱光镊光镊入射的高斯激光束经过大数值孔径入射的高斯激光束经过大数值孔径透镜聚焦后形成透镜聚焦后形成高度会聚的激光束高度会聚的激光束作用到小球上。当轴外光束作用到

16、小球上。当轴外光束a和和b穿穿过小球时被折射，其传播方向趋向过小球时被折射，其传播方向趋向于更平行于光轴，则光束的纵向动于更平行于光轴，则光束的纵向动量变大了。量变大了。根据动量守恒定律，小球获得了与根据动量守恒定律，小球获得了与光束传播方向相反的动量，即小球光束传播方向相反的动量，即小球受到了纵向的拉力受到了纵向的拉力梯度力梯度力。激光斑直径激光斑直径mm会聚到会聚到m量级量级 单光束梯度力阱单光束梯度力阱光镊光镊19861986年年，美国贝尔实验室的，美国贝尔实验室的Arthur Ashkin等等人发现：单光束高度聚焦的激光可以稳定的捕人发现：单光束高度聚焦的激光可以稳定的捕获直径数纳米到

17、数十微米的微粒。获直径数纳米到数十微米的微粒。首次实现了首次实现了单光束梯度力阱单光束梯度力阱，即三位，即三位光学势阱光学势阱，并形象的称之为并形象的称之为“光镊光镊”。 单光束梯度力阱单光束梯度力阱光镊光镊 光镊操控微粒的现象光镊操控微粒的现象尤如宇宙黑洞或吸尘器尤如宇宙黑洞或吸尘器将微粒吸入无底的深渊。将微粒吸入无底的深渊。 阱域、阱深和阱力阱域、阱深和阱力对于微小的粒子对于微小的粒子/ /细胞细胞, ,几十纳几十纳米米- -几十微米，光的力学效应几十微米，光的力学效应还是非常大的。可以明显看到还是非常大的。可以明显看到光阱周边的粒子以很快的速度光阱周边的粒子以很快的速度/ /加速度坠入阱

18、中被囚禁，操加速度坠入阱中被囚禁，操控的速度相当的快。控的速度相当的快。光镊光镊 光陷阱光陷阱- 一是一是光强分布具有大的梯度光强分布具有大的梯度，高度聚焦的激光束形成的，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。力来捕获住微粒。 二是二是粒子的折射率大于周围介质的折射率粒子的折射率大于周围介质的折射率，这时因为如，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。场强度低的地方，粒子将被推离光场。 在满足

19、上述的基本条件后，微粒能否被稳定地捕获住还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。如激光微束的涉及物理与生物粒子方面的性质。如激光微束的光波长、光波长、激光功率、束腰半径、生物微粒的大小、激光功率、束腰半径、生物微粒的大小、 球半径，极化状球半径，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，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能够稳定的捕获微粒的首要条件 光镊原理光镊原理小球受光阱力的计算方法小球受光阱力的计算方法

20、A.第一类粒子第一类粒子Mie Particle(米氏粒子米氏粒子)当粒子半径当粒子半径R远远大于入远远大于入射光波在真空中的波长射光波在真空中的波长 R 5 所采用的计算方法所采用的计算方法: 采用几何光学的近似算法采用几何光学的近似算法(射线光学模型射线光学模型 ) 光线PPR22RPTRPT22PTzyo光镊原理光镊原理射线光学模型射线光学模型 (Ray-Optics) 光镊原理光镊原理drfdFzzsin22020 米氏粒子米氏粒子所所受光阱力：受光阱力： 光镊原理光镊原理B.第二类粒子第二类粒子Rayleigh Particles(瑞利粒子瑞利粒子)当粒子半径当粒子半径R远远小于入射

21、光波在真空中的波长远远小于入射光波在真空中的波长R /20所采用的计算方法：所采用的计算方法： 用用瑞利散射的理论瑞利散射的理论进行近似计算进行近似计算 光镊原理光镊原理 光镊原理光镊原理C.第三类粒子（第三类粒子（ R ）介观粒子）介观粒子在实验中，由于尺度与波长相近的粒子易被很牢在实验中，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。对象，去研究我们感兴趣的微观现象。但很不幸，在此尺度内但很不幸，在此尺度内(介观领域介观领域)，我们缺少与，我们缺少与之相配的理论，这就给我们带来了数值计算

22、上的之相配的理论，这就给我们带来了数值计算上的困难。困难。 光镊原理光镊原理C.第三类粒子（第三类粒子（ R ）介观粒子）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，则通过求解电磁散射问题，则通过求解麦克斯韦方程麦克斯韦方程就可以求解光就可以求解光的散射场。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（有限元法（Finite Element Method ) ，有限微分时，有限微分时域算法域算法(FDTD)又叫时域有限差分法又叫时域有限差分法，离散偶

23、极子近似算，离散偶极子近似算法法(Discrete Dipole Approximation)，T矩阵算法（矩阵算法（T-matrix method）等等等等 光镊原理光镊原理 光镊原理光镊原理 光镊原理光镊原理 光镊光镊基本操控方法基本操控方法直接直接操控操控- -微米粒子微米粒子 间接间接操控操控- -纳米粒子纳米粒子 光镊操纵微粒的尺度：纳米光镊操纵微粒的尺度：纳米- -微米微米1nm 1 m 1mm1nm 1 m 1mm原子、分子尺度原子、分子尺度 ATM STM纳微尺度纳微尺度光镊光镊宏观物体宏观物体一般机械一般机械 fNfN（1010-15-15N N）-pN-pN（1010-12

24、-12N） 1 1 fN/fN/人人 X60X60亿亿 - 1- 1根发丝根发丝 -细胞，单分子间的相互作用力细胞，单分子间的相互作用力 传递微小力的使者传递微小力的使者 -微小力的探针！微小力的探针！ 光镊力有多大光镊力有多大 ？ 光镊光镊- 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。 光镊光镊/ / 光学镊子光学镊子/ / 光学势阱光学势阱/ / 三维光学势阱三维光学势阱/ / 单光束梯度力势阱单光束梯度力势阱 研究个

25、体行为的工具！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镊能够实施对单个微粒( (细胞或大分子细胞或大分子) )的操控。的操控。(1)(1)对对单个活体生物单个活体生物以以非接触非接触的遥控方式，实施的遥控方式，实施无损无菌无损无菌操控；操控；实时动态跟踪、进行微小力的测量。实时动态跟踪、进行微小力的测量。(2)(2) 光镊可以光镊可以穿过透明封闭系统穿过透明封闭系统的表层（细胞膜）操控其内的表层（细胞膜）操控其内部微粒（细胞器），也可以部微粒（细胞器），也可以透过封闭的样品池透过封闭的样品池

26、的外壁，操控池内的外壁，操控池内微粒，实现真正的微粒，实现真正的无菌操作无菌操作。使得光镊有。使得光镊有隔墙取物隔墙取物之功能。之功能。(3)(3)光镊是微小力的探针，光镊是微小力的探针，类似弹簧类似弹簧，是极其灵敏的是极其灵敏的力传感器力传感器。光镊的特点光镊的特点 一是一是光强分布具有大的梯度光强分布具有大的梯度，经过大数值孔径，经过大数值孔径的透镜聚焦的激光束可以满足这一条件。的透镜聚焦的激光束可以满足这一条件。 二是二是粒子的折射率大于周围介质的折射率粒子的折射率大于周围介质的折射率，这，这时因为如果，光线穿过粒子时粒子将被从光场强时因为如果，光线穿过粒子时粒子将被从光场强度高的地方推

27、向光场强度低的地方，粒子将被推度高的地方推向光场强度低的地方，粒子将被推离光场。离光场。 光镊能够稳定的捕获微粒的首要条件光镊能够稳定的捕获微粒的首要条件 生命科学生命科学- -操控，动力学研究操控，动力学研究 解读生命运动规律解读生命运动规律 微纳器件微纳器件- -操控，排布，组装，表征操控，排布，组装，表征 新材料和功能器件制造新材料和功能器件制造 分散体系分散体系- -微粒间相互作用微粒间相互作用 宏观现象的微观机理探索宏观现象的微观机理探索 光力学教学光力学教学线性动量，角动量线性动量，角动量 认知光的基本属性认知光的基本属性光镊的应用光镊的应用 光镊的应用原生原生质体的质体的融合融合

28、单个活单个活力精细力精细胞研究胞研究激光激光诱导转诱导转基因基因抗体抗抗体抗原结合原结合强度强度分选分选单条染单条染色体色体细胞膜细胞膜弹性的弹性的测量测量分散分散体系的体系的研究研究纳米纳米生物学的生物学的研究研究微粒微粒的空间的空间排布排布教学教学研究研究光镊的应用研究光镊的应用研究 运动运动-位移位移/ /速度速度， -力力，大小大小/ /方向，方向， -结合结合/ /分离分离 -相互作用相互作用 特性特性-结构和功能结构和功能 力学量是表征生命过程的重要参量！力学量是表征生命过程的重要参量！ 单分子水平上探索生命运动的规律！单分子水平上探索生命运动的规律！生命过程生命过程运动运动力力光

29、镊应用光镊应用生物大分子的动力学研究生物大分子的动力学研究 国际前沿发展趋势国际前沿发展趋势 光镊技术更多的是用于研究生物大分子光镊技术更多的是用于研究生物大分子 十几年来已突破了许多十几年来已突破了许多“禁区禁区”人类首次实际测人类首次实际测量到由化学能转量到由化学能转变成机械能的原变成机械能的原动力动力肌肉运动肌肉运动的原始动力过程的原始动力过程驱动蛋白分子吸收一个驱动蛋白分子吸收一个ATP能量后的分布运动状能量后的分布运动状态，运动步长为态，运动步长为8纳米。纳米。 国际研究成果举例国际研究成果举例NatureNature 刊登报道：生刊登报道：生物大分子物大分子 精精细操作细操作 双光

30、镊对双光镊对肌动蛋白肌动蛋白进行进行打结打结 国际研究成果举例国际研究成果举例Science刊登报道：刊登报道：光镊控制粘有光镊控制粘有肌动蛋白的小肌动蛋白的小球接触微管球接触微管,研研究其运动特性究其运动特性. 光镊研究光镊研究DNADNA折叠动力学过程折叠动力学过程 研究研究光 阱微 抗生素蛋白生物素 球DNA-体复合物抗体蛋白壳G微 球移液器(A)验装置实(B)定里反 模式恒馈(C)反馈 式无模光镊已成为研究光镊已成为研究DNADNA动力学的不可或缺的工具动力学的不可或缺的工具国际研究成果举例国际研究成果举例 电介质 球小微 针光 阱光镊研究光镊研究DNADNA的缩合及解开的缩合及解开 光镊已成为研究光镊已成为研究DNADNA动力学的不可或缺的工具动力学的不可或缺的工具国际研究成果举例国际研究成果举例 光镊牵拉血红细胞膜光镊牵拉血红细胞膜/ /形状由椭圆变成橄榄型形状由椭圆变成橄榄型 光镊研究细胞膜实验方法光镊研究细胞膜实验方法 细胞膜弹性的测量细胞膜弹性的测量 烟草