光学微操作系统课件

光镊

光学微操作系统上海中科大光镊科技有限公司研制陈铭南光镊

光学微操作系统上海中科大光镊科技有限公司研制陈铭南1光辐射压力（光压）光压：光子流产生的压强。光携带动量与能量关系。P=E/C。光与物质作用：包含能量与动量的传递。光作用在物体上的力：F=P/t。太阳光：光辐射压力（光压）光压：光子流产生的压强。2*1960年激光问世激光：例10mw-单位面积的光功率密度将是太阳光的108倍。-----光的力学效应得到充分展示！高的光子流密度：1017瓦/平方厘米---1012大气压

光的力学效应研究进入了一个全新的时代光力学效应研究发展史

*1960年激光问世光力学效应研究发展史3原子的激光冷却和捕陷

（60年代末－－70年代初）1997年诺贝尔物理学奖：

S.朱棣文C.C.达诺基W.D.菲利浦斯该成果又促成-----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.克特勒光---微观粒子相互作用

光---微观粒子相互作用

4光学微操作系统课件5梯度力A：均匀光场。B：非均匀光场。力F指向光场最强处。小球内折射率n大于周围介质。梯度力A：均匀光场。6激光TEM00基模高斯光束激光TEM007二维光学势阱高斯光束具有形成二维光阱的条件。二维光阱在垂直于光轴平面内可捕获粒子。沿光轴小球仍自由。二维光学势阱高斯光束具有形成二维光阱的条件。8三维梯度力势阱—单光束梯度力光阱1986年A.Ashkin用强聚焦激光实现。负辐射压力：F：指向焦点（推力与拉力）散射力：指向光轴吸收：指向光轴三维梯度力势阱—单光束梯度力光阱1986年A.Ashkin用9Z方向捕获力分析1.A、B点是粒子在Z轴的平衡点。2.条件不同。平衡点位置不同。A点位于焦点外侧。3.AB间：光镊的捕获域（焦点附近）。Z方向捕获力分析1.A、B点是粒子在Z轴的平衡点。10阱力的计算与测量斯托克斯定律：流体力学中的Stokes公式：fmax＝6πηrVmax其中η为粘滞系数，r为微粒的半径，Vmax为逃逸速度。阱力的计算与测量斯托克斯定律：11粒子的大小形状:小于微米级的粒子—能被光阱捕获——不属几何光学范畴。比光斑尺寸小的粒子—推力粒子的折射率n和媒质的折射率nb:n>nb.:梯度力总是指向焦点。是光镊捕获生物粒子的必要条件。n<nb.:梯度力反向焦点。粒子被推出光场。粒子的大小形状:12捕获光1.波长的选择:避开操作粒子的波长吸收带。可见光—漫反射—滤色片—照明光影响。避免。红外光—理想。紫外光—波长短，光子能量大，容易引起光化学过程。捕获光1.波长的选择:避开操作粒子的波长吸收带。13捕获光2.功率的范围：几毫瓦-几十毫瓦。功率稳定。连续工作方式。3.实用的光镊光源：YAG1064nm激光器——0.1-100mw.固体半导体激光器：780nm.680-950nm：适用波长。捕获光2.功率的范围：几毫瓦-几十毫瓦。14操作阱台承载样品室X-Y平面、Z（光轴）方向可调。X-Y：微米或亚微米量级。手动。步进电机驱动。移动光束。操作阱台承载样品室15光耦合器光阱光源与显微镜光学系统耦合。双色分束镜作用：导入激光性能：镀有对一定波长反射与透射的光学膜光耦合器光阱光源与显微镜光学系统耦合。16光捕获技术聚焦激光束的辐射压：实现操纵：聚合胶体、微胶囊、半导体粉末、细菌、病毒之类的粒子。光捕获技术聚焦激光束的辐射压：17光镊与其它技术的组合应用1。激光解剖刀。2。激光扫描共焦显微镜。3。小球——中介手柄。4。多光阱组合应用。5。扫描光阱与微粒排布。6。双光束干涉微位移测量术（光阱干涉仪）光镊与其它技术的组合应用1。激光解剖刀。18光镊论文译文一。单光束梯度力光学阱捕获电介质粒子的实验观察。二。辐射压力作用下液滴的光学悬浮三。几何光学模型下的光阱稳定性的理论计算和实验研究。四。红外激光捕获与操纵单细胞五。光学。。。。。。。光镊论文译文一。单光束梯度力光学阱捕获电介质粒子的实验观察。19发明专利申请号：00112403．X专利申请日期：2000.07.15“光的力学效应测量”装置发明专利申请号：“光的力学效应测量”装置20基本光路基本光路21显微镜系统、种类、特性显微镜的成像原理：物镜、目镜(二级放大）显微镜物镜的基本特性:线性放大率\数值孔径分辩率：A：显微镜物镜的数值孔径。n:物空间的折射率。：物空间中显微镜的孔径角。增大n-水、油等。高放大倍数-油镜。显微镜系统、种类、特性显微镜的成像原理：22显微镜种类反射式显微物镜、折反射式显微物镜、读数显微镜、测量显微镜、生物显微镜、倒置显微镜、体视显微镜、金相显微镜、偏光显微镜等。一体化。。。。显微镜种类反射式显微物镜、折反射式显微物镜、读数显微镜、测量23

实际光操控演示直观生动有趣微观光力学行为实际光操控演示直观生动有趣微观光力24实验样品：酵母菌加水、红细胞、小碎冰、偏振晶体。。。激光：红外、He-Ne激光等、光强。光路：仪器、自建光路、调节。操纵与捕获：调焦、平台X-Y方向、计算机鼠标。拖动：半定量计算实验样品：酵母菌加水、红细胞、小碎冰、偏振晶体。。。251，2光源与耦合器3反射镜，4分束板5会聚透镜6，7样品台样品池8照明电源9激光滤波片10数码摄影头11录像机12计算机光镊仪的光路图

1，2光源与耦合器光镊仪的光路图26实验原理光阱光与物质的相互作用（激光应用）吸收：物质对光的吸收——光镊工作原理：利用物体对光的折射而不是吸收。例：几毫瓦激光—1µm衍射斑—1µm小球——蒸发小球在水中：同样：升高一度实验原理光阱同样：升高一度27*1616年开普勒---光压的概念*1873年麦克斯韦理论：光是电磁波*1895年证实光有压力的实验探索：

*1960年激光问世：例10mw-106达因光力学效应研究的新时期2光力学效应研究发展史太阳光：*1616年开普勒---光压的概念2光力学效应研究发28列别捷夫实验装置*1895年—

光压的实验证明

俄国物理学家列别捷夫美国物理学家科尼尔美国物理学家霍耳

扭秤法2光力学效应研究发展史列别捷夫实验装置*1895年—2光力学效应研究发展史29显微镜原理100倍油镜激光器功率与模式测微标尺使用斯托克斯定律:速度光阱力显微镜原理301970-1980光悬浮Opticallevitation光-------微小的宏观粒子1970-1980光悬浮Opticallevitat31光镊具有pN量级的捕获力与很多微米粒子，细胞，大分子之间的作用力相当-----微粒间相互作用力的测量2.微小力的探针光镊具有pN量级的捕获力2.微小力的探32细胞膜弹性的测量/中科大血液流变学研究的重要方向研究得出PNH(夜间阵发性红血球破坏症）血红细胞膜弹性低于正常细胞膜的弹性。细胞膜弹性的测量/中科大血液流变学研究的重要方向33水稻单条染色体分选

首次分选单条染色体/中科大水稻单条染色体分选首次分选单条染色体/中科大34原生质体的融合单个活力精细胞研究细胞间相互作用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光镊的应用成果与前景原生单个活细胞间抗体抗分选细胞膜分散纳米微粒教学光镊的应用35

DNA分子（2纳米直径）的扭转、打结，----分子操作达到相当高的水平为细胞内蛋白纤维相互作用等分子力学的研究开辟了新的途径。用于缝合细胞或神经的细微手术。

首次操控DNA/日，美DNA分子（2纳米直径）的扭转、打结，首次操控DNA36光阱---PN力的测量/流体力学法

流体力学中的Stokes公式：