（光学专业论文）空心新型光阱的实验研究.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 摘要+ 惮光束梯度力光阱( 或光镊) 是基于光的力学效应的一项物理工具，自 a s h k i n 发明以来，已成功地应用于生命科学、分散体系、医药生产等领域的科 学研究，成为操作微米、亚微米量级微粒的强有力的工具。已有的光阱大多是实 心光阱，在使用过程中逐渐暴露出低效率、捕获效果不尽如人意、高热损伤等缺 点。空心光阱是由准平行空心光束经物镜耦合后形成的光阱，光束中心光场能量 分布几乎为零，光阱散射力减弱而梯度力几乎不受影响，整体捕获效果得到增强。 空心光阱还可以减小对被操作对象的热损伤，更适用于对活性生物细胞的研究。 所以实现空心光阱，以及对空心光阱性能的研究具有重大意义和实用价值。广7 一 本文主要完成了以下几个方面的工作： 1 尝试了实现窒：生韭塞的几种方法：取高级衍射光斑法、角锥透镜组法、 转镜法、微透镜法和位相片法，并从形成的空心光束在准平行性、实空部分 能量对比度和激光能量耦台效率等方面比较了各方法的特点。首次使用取高 级衍射光斑法及角锥透镜组法实现了空心光阱。 2 用一系列对照实验对室：堂堂瞄的特性进行了研究：( 1 ) 用实验定性地 证明了空心光阱轴向捕获力高于实心光阱；( 2 ) 用b o l t z m a n n 统计法比较 了空心光阱与实心光阱横向光阱刚度( 光焦点附近小范围内的光阱横向刚 性程度) ；f 表明同等条件下空心光阱的横向光阱刚度弱于实心光阱；】e3 ) 用 流体力学法测量光阱的逃逸阱力随光功率的变化关系 霞明同等条件下空 心光阱的逃逸阱力大于实心光阱，因此空心光阱操纵微粒具有更高的稳定 性，因而提高了激光能量的利用效率j ( 4 ) 同时还指出了空心光阱具有更 低的热损伤效应，在低倍物镜下空心光阱具有更高的实用价值，以及空心 光阱适于开发双光镊。 3 首次提出空心光阱窒塞些的概念。 对本实验系统，尝试以多种空实 比形成空心光阱，并测出各种情形下空心光阱的逃逸阱力随光功率变化的 实验数据，初步定性地分析了空实比对空心光阱捕获效果的影响。卜1 7 4 介绍了测量逃堕型鏖的多种方法，推导了相关的公式，指出了各自的 利弊，并在此基础上形成了自己特有的光阱刚度迸量直鎏。 光阱中微粒 空心新型光阱的实验研究 中擐科学技术丈学礤士学位论文 位置概率分布的实验曲线与理想篾谐势模型tb o | t z m a n n 绞毒十概率密度醋 数瓣积分接线栩攒合，使糟b o l t z m a n n 统计法定繁测量横向光阱剐度，其 问发展出了“胡关一二次曲线拟食”的方法进霉亍图象分橱以褥出先辫中徽 粒因热运动箍偏离光阱中心的缩米量缀位移。对多种光骈刚度铡踅方法进 行讨论，并提出了自己的一些想冀步一 空心新型毙辫恭实骁研究 巾凰科学技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t 蠹 s i n g l e b e a mg r a d i e n to p t i c a lt r a p ( o ro p t i c a lt w e e z e r s ) i sa k i n do f p h y s i c a lt o o lb a s e do nt h ed y n a m i ce f f e c to fl i g h t i th a sb e e na p p l i e d s u c c e s s f u l l y t ot h er e s e a r c ha r e a so f d i s p e r s i o ns y s t e m ，m e d i c i n e ，a n d l i f e s c i e n c e se t c 。e v e rs i n c ei t si n v e n t i o nb ya s h k i n ，a n dh a sb e c o m ea p o w e r f u lt o o t i nm a n i p u l a t i n gp a r t i c l e si nt h em i c r o na n ds u b m i c r o n s c a l e 。t h et r a d i t i o n a ls o l i dm o d eo p t i c a l t r a p h a sb e e nf o u n dt ob e u n s a t i s f a c t o r ya f t e rb e i n gu s e dw i d e l yb e c a u s eo f i t sl o we f f i c i e n c ya n d h i 或t h e r m a ld a m n i f i c a t i o n t h ed o n u tm o d eo p t i c a lt r a pi s f o r m e db y c o u p l i n gaq u a s i p a r a l l e lh o l l o wl i g h tb e a m w i t hm i c r o s c o p eo b j e c t i v e 。 t h el i g h tf i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h ec e n t e r p a r to f t h eb e a m sc r o s ss e c t i o ni s a p p r o x i m a t e l yz e r o ，t h e r e f o r et h es c a t t e r i n gf o r c ei sm a r k e d l y r e d u c e di n t h i st r a pw h i l et h eg r a d i e n tf o r c ei sl e f tn e a r l yu n a f f e c t e d ，a n dh e n c et h e w h o l et r a p p i n ge f f e c th a sb e e ne n h a n c e d d o n u tm o d eo p t i c a lt r a pa l s o h e l p st or e d u c et h et h e r m a ld a m n i f i c a t i o n , a n d t h e r e f o r ei sm o r es u i t a b l e f o rt h er e s e a r c h e so fa c t i v eb i o l o g i c a lc e l l s s oi ti so fg r e a tt h e o r e t i c a l a n da p p l i c a t i o ni m p o r t a n c et or e s e a r c ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fd o n u tm o d e o p t i c a lt r a p t h i st h e s i sm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gw o r k ： 1 e m p l o ym u l t i p l em e t h o d st of o r md o n u tm o d eo p t i c a lt r a p e x t r a c t i n gh i 曲- o r d e r d i f f r a c t i v e l i g h tc o m p o n e n t 、a x i c o n s 、 r o t a t i n g l e n s 、m i c r ol e n sa n dp h a s e o n l ym a s k s ，c o m p a r e st h e i r c h a r a c t e r i s t i c si nt e r m so fq u a s i - p a r a l l e l i s mo ft h ef o r m e dh o l l o w b e a m 、e n e r g yc o n t r a s t b e t w e e ns o l i da n dv a c a n tp a r to fh o l l o w b e a m 、a n d e f f i c i e n c yo f u s i n g l a s e re n e r g y f o rt h ef i r s tt i m er e a l i z e d o n u tm o d eo p t i c a lt r a pv i ae x t r a c t i n gh i g h o r d e rd i f f r a c t i v el i g h t c o m p o n e n t a n da x i c o n s 2 s t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so f d o n u tm o d eo p t i c a lt r a pb yd o i n g c o m p a r i s o ne x p e r i m e n t s w i t hs o l i dm o d e o p t i c a lt r a p ：( 1 ) d e m o n s t r a t e e x p e r i m e n t a l l y t h a td o n u tm o d e o p t i c a lt r a p h a s h i g h e r a x i a lt r a p p i n gf o r c et h a ns o l i dm o d e o p t i c a lt r a p ；( 2 ) t h e l a t e r a lt r a p 空心瓤壁光瞒的实验硪究 一 一一一一 中国科学技术太学硕士学位论文 s t i f f n e s so fd o n u tm o d e o p t i c a lt r a pa n d s o l i dm o d e o p t i c a lt r a pa r e m e a s u r e d b yb o l t z m a n n s t a t i s t i c s t h er e s u l td e m o n s t r a t e st h a t s o l i dm o d e o p t i c a lt r a p h a s s t r o n g e r l a t e r a l s t i f f n e s s ；( 3 ) t h e e s c a p i n gf o r c eo fo p t i c a lt r a p v a r y i n g w i t i ld i f f e r e n tl a s e rp o w e r , i s m e a s u r e db yf l u i dm e c h a n i c s t h er e s u l td e m o n s t r a t e st h a td o n u t m o d eo p t i c a lt r a ph a sh i g h e re s c a p i n gf o r c e ，t h u sc a nm a n i p u l a t e p a r t i c l e sw i t hm o r es t a b i l i t y , a n dh e n c eh e l p st oe n h a n c et h ee n e r g y e f f i c i e n c yo fu s i n gl a s e rp o w e r ；( 4 ) a l s oi n d i c a t et h a td o n u tm o d e o p t i c a lt r a pb r i n g st o l o w e rt h e r m a ld a m n i f i c a t i o n ，a n dh e l p st o m a k eb e s tu s eo fl o w m a g n i f i c a t i o no b j e c t i v e ，a n dh e l p st od e v e l o p d o u b l e o p t i c a l t w e e z e r s 3 f o rt h ef i r s tt i m ei n t r o d u c et h ec o n c e p to fh o l l o wr a t i oo fd o n u t m o d e o p t i c a lt r a p f o rt h i sv e r ye x p e r i m e n ts y s t e m ，a t t e m p t t of o r m d o n u tm o d eo p t i c a lt r a pw i t hs e r i e so fd i f f e r e n th o l l o wr a t i o ，a n d m e a s u r et h ee s c a p i n gf o r c eo fd o n u tm o d e o p t i c a lt r a pa sa f u n c t i o n o fl a s e rp o w e r p r i m a r i l yg e taq u a l i t a t i v e s t u d yo ft h e e f f e c to f h o l l o wr a t i oo nt h e t r a pe f f e c to f d o n u tm o d e o p t i c a lt r a p 4 i n t r o d u c ed i f f e r e n tm e t h o d so fm e a s u r i n gt r a ps t i f f n e s s ，r e a s o n t h er e l a t e df o r m u l a e ，p o i n to u tm e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ， r e s p e c t i v e l y , t h e nf o r mo u ro w nm e a s u r i n gm e t h o d b yf i t t i n gt h e e x p e r i m e n t a lc u r v eo fp r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no f m i c r op a r t i c l e si na l a s e rt r a pw i t l lt h ei n t e g r a lc u r v eo fb o l t z m a n ns t a t i s t i c sp r o b a b i l i t y d e n s i t y d i s t r i b u t i o ni na ni d e a lh a r m o n i c p o t e n t i a l ，w e u s et h e m e t h o do fb o l t z m a n ns t a t i s t i c s t om e a s u r e t r a p s t i f f n e s s q u a n t i t a t i v e l 、m e a n w h i l ed e v e l o po l r m e t h o do f c o r r e l a t i o n c o n i c f i t t i n g t oa n a l y z ei m a g e st og e tt h en a n o m e t r i cd i s p l a c e m e n to f p a r t i c l e sa w a y f r o m t m p c e n t e rb e c a u s eo f 廿l e r m a lm o v e m e n t d i s c u s sm u l t i p l em e t h o d so f m e a s u r i n gt r a ps t i f f n e s s ，a n dg i v em y o w n t h o u g h t s s u p p o r t e db y n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h m a ( n o 1 0 0 7 2 0 6 21 9 8 9 0 3 8 0 ) 空心新型光阱的实验研究 一一 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 生命在于运动。生命最本质的特性鼹具有活性。它表现为生物的新陈代谢、 生长发育、繁皴、遗传与交异、运动与薅应等运动过程。对于生命魏了解，葵过 于在活的生命状态中研究这一系列的运动演变，才能揭示生命的本质。然而。生 螽是鬻不开承的，蔼承豹存在又给磅究方法带来了嚣难。戮往，巍括龟予驻徽镜 在内所观察的细胞精细结构都是经过各种化学处理致死的干样品，己破坏了细胞 豹生务狻态。 上世纪7 0 年代末的低温电镜技术与冰冻切片技术相结合，在研究含水啦物材 瓣豹结麴方嚣敬出了燹簸。鞠年代寒据掇隧遂显徽镶与黎子力显激镜隽褒察含永 d n a 分子提供了可能。正在发展着的共聚焦显微镜和软x 射线显微镜以及各种微粒 竣荧光掭赞法葶曩e x r ，n m r ，r a m a n 光谱法都扶不溺囊疫嚣攘了砖溪缨照懿臻突。 但是这些方法都还没有解决在保持细胞磁常生命活动的条件下束缚和控制细胞的 技术。实际主这一技术是赝有疆缨躯硬究( 无论楚上述方法，还楚今后可发震 的新方法) 首先要解决晌问题。在微米尺度上活细胞研究的进一步发展期待着新 思想、新技本、新方法的出现。 光镊( 也州光阱) 一一个由光学梯度力形成的光学势l i f ，如同一把无澎的镊 子可以糖获微小的生命n 1 。它是激光发明以来，继激光刀( 脉冲激光微柬) 之层 在生命科学中得到重要应用的又一新的物理手段。细胞是生命结构和功能的基本 单元，光镊用于微米范匿内操纵微粒的特点正好符合细胞、旺细胞层次的研究，它 产生的皮牛量级的力正好适合予微米量缴生物结构的研究。在2 1 落纪初各种新技 术争妍斗艳的角逐中，必镊以它能动态的研究活绷胞的独特功能，显示出耀人眼 目豹蚰烂之光。 随着光镊技术的广泛使用，人们不断的努力改造光镊的形成技术，改蛰它的 性麓，使它更好褥为科研帮生产服务。巍镊是基予光的力学效应的一静裙瑷工其， 并在不断的发展着，对嵌的理解骚从光联开始。 1 1 光的压力效应 t 。i 。l 先莲穰逑 光压概念的提出可以追溯到汗普勒和牛顿时代，而光压的理论证明和安验测 量露燕擐久鞋麓方窭瑗戆。1 8 7 3 年m a x w e l l 簸竞粒波动蕊囊废摄撩邀磁波壤谂推 导出了光压的存在( 电磁波辐射压) 并算出了垂逝入射到部分反射吸收体袭面的 空心薪羹惫辩豹实赣研究 中国科学技术太学硕士学位论文 第一翠鳍论 光寨产生瓣光鬟为p = 兰( | 十震) ，箕串e 为每移垂畿入射弱l 费上的靛量，c 为巍 c 速，r 为走赝照瓣甥访装反瓣系数。 l _ 从光的量子性来辫，光由光孑组成。一个光子鸵能量为h f ，动羹必坚。光 c 压就应解释为光子把它的动量传绘吸收蹙或发射壁的结果。设单色光正入射到鹫 l 。 上，n 个光子携带能量为e = n h y ，n 个光子传给绝对吸收壁的动量为n 竺或传 f k ， 给绝对反射壁的动量为2 n n v 。设在一般情况下，被照物体的反射系数为r ，则n e 个光予传蝓物体的动量为 0 - 赏) 塑+ r 2 n h v ：n h - 兰v o + 尺) ：鱼( 1 + 虎) ，这与麦克斯韦的公式相符合。 cccc 光压的实验测量是1 9 0 1 年俄国入n h 列别捷夫用悬在细悬丝下的惑体实 理懿控二珏：。其中悬俸旋上鬣定着一些薄褥轻蠡辱，j 、蘧，萁申一个，j 、翅涂漂，茄一个 是光亮的。悬体救在拙空了的容器里，成为拨灵敏的抠群，用必照射夺翅，镬楚 秤偏转，从而钡4 定光联。 光是电磁波，不仅携带能量，同时也携带动量，光与物质相互作用的过程中 裁意辘量帮动量豹传递。院如，稳先镊成用静簇型定度内，我们考虑光作嗣在 个细胞上。当细胞吸收光子聪温度将井意，这热能就是由巍的爨转送给缨腿懿。 同时，对入射光束来说细胞的模层结构怒浸泡在液体中的很多界面，光入射到这 些赛蕊处就会发生反射窝折射，竞子有稳重，入莉巍束困反射和折射作用而产生 动量的改变，改变驰动量就传递绘了缨爨。这榉，必衷就慰被照越载缎胞藏艇一 定的力。邋种由于光辐射对物体产生的力常常表现为压力，因而称之为光辐射压 力或简称巍压。通常，我们谈论光压，指的是这种渤量转移产生的力学效应。实 际上，光与甥质穰互终雳时，l 量交换弓l 起斡熬效应，产生热澎胀、缝织蒸茨等， 往往也伴随一些继发的压力效应。这种次生性的压强效应不在我们考虑的范围之 列。 瞧人爨嚣鬻生活孛为嚣么感觉琴裂巍压熬存在? 粳搭上瑟豹攘导胬 骞计当太 阳光瓣直照射地面并完全被吸收时，所产= 生的光压仪约为0 5 达囡平方米。人们 生活巾是感觉不到这么小的辐射压力的，魇不用说利用! 而从1 9 6 0 年激光器问世 嚣，臻率势l o 勰麴h e - n e 激，绻发鼓静兜紊若会聚弱l # 疗，程惫索串心胃产生 1 0 6 达因平方米的压力，它可使一个微米蠡级的电介质小球产生约1 0 3 9 的加速度 ( g 为重力加速魔) 。西此激光的闷世才使得光与物体在相甄作用过程中能够产生 露囊豹力学效应，久雷】对走溉酶磷究方裔了突谈往静进展。 空心薪避光阱的实验研究 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 ，2 激光的压力效应及其应用 激光是一种受激辐射相干光，它与普通光相比有三个最突出的特性：高度的 方向性、高度的相干性和高亮度性。一般的光因功率密度较低而产生的辐射压很 小，以致平时我们感觉不到，如日光、灯光等的推力。激光器问世后，对激光这种 高强度光源而言光压不能再被忽略。强激光束被聚焦后打在物体上，与物体相互 作用时能产生可观的压力效应，如任一种调q 激光或锁模激光，它的瞬时功率密 度往往非常太，例如在1 0 - 6 c m 2 的空间内功率密度可达1 0 ”矿，c t 2 ，这样的激光束 对被照物体表面可产生高达1 0 “p a 的辐射压。 激光的三大优点使得人们对光压的研究有了突破性的进展。从上世纪7 0 年代 初，人们开始对激光辐射压力进行了全面和深入的研究，特别是对原子在各种不 同条件下所受辐射压力的性质和机制进行了理论探索和实验观测，从而发展了原 子束的激光偏转m 、激光冷却、光子粘团陆3 、原子喷泉口1 等实验技术，并使激 光冷却的温度降低到2 4 p k ! 与此同时，另一类有关光压的研究也在进行着，这就是激光对于宏观微粒的辐 射压力研究( 包括对宏观介质微粒的光悬浮、光捕获和光操纵等) ，这方面的研究 最终导致了光镊的发明。 为了简单起见，我们这里仅举几个具体例子介绍一下激光力学效应的物理机 制和应用。 一原子柬的激光偏转 光与原子相互作用，产生原子对光的吸收、发射、散射等过程，光与原子交换 动量，因而原子将受到一个力的作用。当一束共振激光束照射到原子上时，由于 光的共振吸收光作用到原子上的力可以使原子运动速度的大小和方向发生改变。 1 9 7 0 年，美国贝尔实验室的a a s h k i n 就这种共振辐射压导致原子束偏转做了详 尽的研究”。 如图1 - 1 从孔w 出来的原子束有两种：共振原子束和非共振原子束。因共振 光束的压力作用，其中不同速度的共振原子束经偏转后以不同的半径重新会聚并 被接收器c l 探测到；非共振的原子束直接被探测器c 2 接收到。 空心新型光阱的实验研究 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - l 原子速度分析仪 光对自由原子的运动产生作用的首次显示就是通过垂直于原子束的光观察原 子束的偏转。这个实验是德国r f r i s c h 在发现激光前的1 9 3 3 年实现的1 9 】。他采用 普通钠光灯照明钠原子束，使共振条件得以满足。但因放电管产生的光强太弱， r f d s c h 的实验在以后的几十年没有得到任何进展。 二原子的激光冷却 7 0 年代初，调频激光器的问世为r f r i s c h 的实验开辟了道路。首先，联邦德 国的h w a l t h e r 和他的同事们及法国奥塞的p j a c q u i n o t 和他的小组在1 9 7 2 1 9 7 3 年间用激光推动原子取得了成功 9 1 。1 9 7 0 1 9 7 5 年间，贝尔实验室的a a s h l d n 、 斯坦福大学的t 研h a n s c h 和a l s c h a w l o w l l o i 阻及西雅图大学的d w i n e l a n d 和 h d e h w e l t 提出了首批让原子减速的建议。 如图1 2 是建议激光冷却原子的首批机制之一，它采用的是辐射压力。这种 装置具有两束频率、功率均相同，传播方向相反的激光波。他们的共同频率必须 略低于能够被一个静止原子吸收( 静止原子在此光场中受力为零) 的光频率。朝 右走的原子将会与波1 有相反的传播方向并与波2 有相同的传播方向( a ) 。由于运 动，从原子看来光频被d o p p l e r f i z e o u 效应改变。波i 的频率朝着高频方向移 _ 。- 图。一：激光冷却原子嘲 l 岭i 激光2 激光l 空心新型光肼舶实验研究 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 动，和原子频率靠近，而波2 的频率则朝低频方向移动，并远离原子频率( b ) 。 这样，与波2 相比，原子更容易吸收波1 中的光子。波l 与它有相反的传播方向， 波l 传给原子的动量使它减速。同理，向左运动的原子，更易吸收波2 的光子， 同样也被减速。这就是“d o p p l e r 冷却”原理。但图卜2 中只能减慢沿着空间唯 一方向运行的原子速度。如果我们把它推广到三维中，情况会怎样昵? 1 9 8 5 年， 贝尔实验室的朱棣文( s t e v e nc h u ) 和他的小组用6 束激光照射到从原子束上减 速下来的原子团上，结果把原子温度降低到2 4 0 # k “，在6 束激光交汇处， 原子和光子不断吸收发射，交换能量，处于互相胶着状态。朱棣文把这种原子光 子的胶着状态称为光学粘团( o p t i c a lm o l a s s e s ) 。激光制冷技术使朱棣文等获得 了1 9 9 7 年诺贝尔物理学奖“。后来，人们为了能够更稳定的冷却并捕获原予，提 出在光学粘团中再加静磁场的建议。这就是后来的“磁光陷阱”。如图例1 3 ： 图i 一3 “磁光陷阱” 总之，激光冷却已取得了很多成果，这会给制造高精度原子钟州及其他很多方 面都带来积极影响。 三微粒的激光悬浮 由前文的叙述可知，光场中的微粒由于光压的作用而受到一个沿光传播方向的 推力。而光悬浮就是以光对微粒的推力为基础的。这类光压的产生可以不用考虑 构成介质材料的原子或分子内部能态的变化，而只是将宏观微粒视为一个整体对 于入射光波发生经典的反射和折射过程。这里仅通过几个例子1 1 2 】，1 1 3 1 ，1 1 4 】来作一介 绍。 1 9 7 0 年，a a s h k i n 首次报道了水中乳胶微球在水平方向高斯激光束中运动的 观察结果。他观察到微粒先被拉向光轴，然后沿光束传播方f 句加速，达到每秒数 微米的速度。用两柬等强度激光相向照射，控制它们的柬腰位置，可以使微粒平 空心新型光阱的实验研究 一一 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 衡在两束腰间，即构成双束光阱。后来他把激光的方向取为竖直向上，使光压与 微粒本身的重力相平衡，从而形成了单束光阱。 最典型的研究成果是a a s h k i n 和j m d z i e d z i c1 9 7 5 年发表的辐射压力作 用下液滴的光悬浮( o p t i c a ll e v i t a t i o no fl i q u i dd r o p sb yr a d i a t i o np r e s s u r e ：”1 ) 。如图卜4 是光悬浮液滴的实验装置图( d “6 ) 。 a 喷雾器v 液演沉降室 h 液滴入口c 滑动活门 g 玻璃盖扳p 照明灯 e e ? 为圆盘电扳m m t 为显微镜 图卜4 实验装置图 撤光束 该实验装置很简单，但值得注意的是实验中拍摄的激光悬浮液滴的照片。如图 1 5 所示。 图卜5 激光悬浮液滴的照片 图中a - d 是通过显微镜m 。观察的图像，a 一d 是从m 2 中观察到的与a d 对 应的图像。该图拍摄出了多个液滴在光束中悬浮的状态。由于重力与光束推举力 之比不同，较大的液滴处在下面，下面的液滴遮住了光束，使其上方的微粒在新的 光场分布中找到自己的平衡位置，从而形成一种稳定的空间分布。通过多个带电 液滴的自由悬浮，可以研究它们之间的相互作用。又因为这个实验中液滴接近于 大气中的水滴或其它悬浮物，所以这个实验对云气物理和烟尘物理也有很大的应 用价值。 空心新型光阱的实验研究 中困科学技术大学坝上学位论文第一章绪论 1 2 光镊的原理及历史 1 2 1 单光束梯度力光阱原理 从上节的讨论我们可以看出，通常光对物体的作用力都足推力。但是，在 一定条件下光也是可以对物体产生拉力，或更一般的，产生束缚力作用。这就牵 涉到光对物体作用的梯度力。为了阐明梯度力的概念我们以透明介质小球为模 犁来进一步讨论光压对物体的作用。选用一透明介质小球作为模型，是考虑到球 形物体的高度对称性便于讨论，另一方面生物细胞大多数近似是透明的球状体。 为了形象的揭示出光压是如何产生对微粒的束缚力的，我们采用几何光学近似， 通过考察光穿过介质小球的行为来分析光作用于物体的力。对于大于几微米的小 球术浇，几何光学近似是合适的。设小球折射率n 大十周围媒质的折射率。 当束光穿过这个小球时，由几何光学町确定光传播的路径。以a 、b 两条 光线为代表，光线在进入和离开球表面时产生折射( 黑粗线表示) 同时在表面也 ，“生+ 定的反射( 虚线表示) 。若折射前所有的光线均沿z 办向传播，即光的动 量是沿z 方向的，然而离开小球的光传播方向则有了变化，也即光的动星有了改 变。由丁= 功量0 ：叵，各束光施加给小球一个与它们动量改变等值，但反向的动量 ( 图卜6 中的窄心线) 。与之相应的有力r 和f b 施加在小球上。若小球处于均匀 光场中，则各束光给予小球的力在横向上将完全抵消。如i 墨：| 卜6 a 所示。如果小 球处在一个非均匀的光场中，小球所受到的作用力在横向上就不会完全抵消。例 如小球 反射光一 折射光 a 均匀光场b 非均匀光场 圈l _ 6 梯度力的起源 宅心新型光阱的实验研究 中国科学技术大学颟士学位论文 第一章绪论 置于如图卜6 b 中光自左向右增强的光场中。其结果是，与左边的光线a 相比较， 右边较强的光线b 作用于小球，使小球获得较大的动量，从而产生较大的力( r ) 。 结果，射到小球上的所有光束的合力效应在横向上不再完全抵消。总的合力是把 小球推向右边略偏下处。小球在这样一个非均匀( 即强度分布存在梯度) 的光场 中所受到的是一个指向光最亮点的力量。这种由于光场强度分布不均匀而产生的 力，我们称之为梯度力。实际上，当光束入射n 4 , 球上时，除了产生梯度力外， 进有光被反射而施加在小球上的力，这个力习惯上称之为散射力。 一束经过透镜强聚焦的激光照射到透明微粒上( 微粒的作用就象一个小透 镜) ，受到微粒的反射和折射作用，导致光束动量的改变，根据动量守恒原理 微粒的动量也发生改变，即微粒受到光场的作用力，包括梯度力( 光场强度分布 不均匀丽产生的力，指向光最亮点处) 和散射力。因此，小球被光作用后所受到 的力有两种：一种是散射力，力的方向与光的传播方向一致，它趋向于使小球沿 光束传播方向运动，从而有可能使微粒逃逸出阱域：另一种是梯度力，小球在焦 点之外时，它指向光最亮处，表现为拉力，小球在焦点之内时，它也指向光最亮 处，结果表现为推力。因此对于强聚焦的激光光场来说，处于光焦点附近之前或 之后的微粒都受到一个趋向于焦点的力，光场中任何横向的( x y 平面) 偏离都 会导致因横向上的梯度力而产生回复力而任何纵向的( z 方向) 偏离都会导致 囚纵向梯度力而产生回复力。故在光焦点附近的微粒将会受到这三维空间的回复 力而被稳定的束缚于焦点附近。这样，一束高度会聚的光束便构成了三维空间的 一个势场或势阱，能量最低处在焦点附近，这就是单光束梯度力光阱。单光束梯 度力光阱主要靠光场梯度力作用来实现稳定捕获微粒，它的捕获条件为：光场处 于强会聚状态。且光场中微粒受到的梯度力大于散射力。 由此可见，所谓的光镊其实是比拟宏观机械镊子对光的势阱效应的一种形苏 而通俗的描绘。所以当我们在研究光镊自身的物理性质时往往采用“光捕获阱”、 “光梯度力阱”或“光学势阱”等物理术语。而对利用这一物理性质形成的一种 技术手段或工具我们赋予它相应于机械镊子而又不失其本质的这样一种独特的 命名一光镊。与机械镊子相比，光镊是以一种温和的非机械接触的方式来完成夹 持和操纵物体的。光镊是一种无损伤的操作工具，不仅与机械镊子相比不存在局 部面积产生很大的压力，不产生明显的机械损伤，而且还可通过选用适当波长的 激光，使形成的光镊对物质的热学或化学等效应也非常弱。尤为重要的是，在形 成的光阱阱域( 光阱作用区域) 内，物体一旦落入这个区域就有自动移向光束中 心的可能，表现出光镊具有“引力”效应。已经落入阱中的微粒，若没有强有力 的外界扰动，物体将不会偏离光阱中心。由于各种外界作用或微粒自身运动等原 空心新型光阱的实验研究- 8 - 中国科学技术太学硕士学位论文第一章绪论 因，微粒即使偏离了光阱中心也会很快恢复原位，所以光镊又酷似一个陷阱。强 会聚激光光束造成一个势能较低的区域( 势阱) ，即从这区域内到区域外存在一 个势垒，当阱中物体的动能不足以克服势垒时，它将继续停留在阱内。 1 2 2 光镊的历史 光镊( o p t i c a lt w e e z e r s ) 是以激光的力学效应为基础的一种物理工具，是强会 聚梯度力光场与微粒相互作用时形成的光学势阱。最早在1 9 6 8 年，源于对原子 操作的需要，苏联光谱学家l e t o k h o v 首先提出利用光场梯度力来限制原子的思 想。1 9 7 0 年，a a s h k i n 等人提出了利用光压操纵微粒的概念，并用两束相向照 射的激光，利用双光镊势阱首次在实验上完成了对水溶液中玻璃小球的捕获，建 立了第一套利用光压操纵微粒的工具。到19 8 6 ，a a s h k i n 等人叉发现单独一束 强聚焦光束就足以形成三维都稳定的能量阱，可以吸引电介质微粒并把它局限在 激光束腰中，于是第一台光镊装置就诞生了“。也因此，光镊的正式名称为“单 光束梯度力阱”( s i n g l e - b e a mo p t i c a lg r a d i e n tf o r c et r a p ) 。中国科学技术大学自 1 9 8 9 年以来一直在做这方面的工作，并取得了很好的成绩。 在此以后光阱得到了不断的改进，已成功的实现了在微观领域内对生物大分 子和生物细胞等微粒灵活多样的操作，体现了光阱在微操作过程中的巨大优越 性成为研究化学、分散体系“明和生命科学、医药科学等领域中强有力的工具。 由于光阱具有非接触、无机械损伤等优点，所以作为细胞生物学领域的一个研究 工具，它表现了突出的优越性。近些年来，此项技术已不仅仅应用在细胞、亚细 胞层次，由于光阱的捕获力是皮牛量级，刚好处在大多数生物细胞或生物大分子 作用力的量级之内，所以常被用来研究生物样品的力学行为，如肌动蛋白和肌球 蛋白的力学行为等。 1 3 空心光阱的原理及研究现状 上一节中论述了激光与透明微粒相互作用过程中由于动量的传递而引起微 粒受力的问题，即光阱对微粒的捕获原理。但光与物质的相互作用同时也包含了 能量的传递。光镊的工作原理主要是利用物体对光的折射作用而不是吸收，但 很显然实际的材料对光还多少有些吸收，无论哪一种相互作用都不可避免的伴随 另一种相互作用，只不过是在不同的实验中哪一个起主导作用的问题。在光镊操 控微粒的太部分实验中，尤其是在对生物活体的实验中更要避免光的热效应，化 学效应等对生物微粒有致命损伤的作用。 空心新型光阱的实验研究 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 1 光阱的热损伤 下面我们就光阱的热损伤作进一步的讨论。假如用几毫瓦的激光聚焦成1 日n 的衍射受限焦斑，光的功率密度为每平方厘米兆瓦的量级。这样的光作用于直径 为l 2 m 与环境绝热的小球上，即使有千分之一的入射辐射被小球吸收，这微瓦的 热量也将会使小球的温度在毫秒时间内超过沸点一_ ，j 、球将会被蒸发。然而，光 镊作用的小球都是浸入液体中的，小球被周围的液体冷却着。此时热传导方程式 与扩散方程形式相同。水中小球的温度变化为： t = 3 w “8 石k ，) r 为小球半径，k 为水的热传导率，w 为传递给小球的功率。经计算发现处于 与上面提到的同样大小的吸收功率下，小球的温度只升高约l o c 。这个温度变化 对于浸入水中的小球来说是完全可以承受的。另外，由于生物个体的差异，同样 的激光参数对不同生物细胞的作用可能是不一样的，所以在使用时都是针对不同 的作用对象选择激光参数，使热损伤尽量降至最小。 液体中的小球在激光的作用下温度升高不大，辅以其它条件如波长选择等可 以降低热损伤的程度。然而，当需要较大的捕获力时必须相应的增加捕获激光的 功率( 有时要到几十甚至几百毫瓦) 时，或者微粒对光强烈吸收时，热损伤效应 将会很严重的影响被捕获微粒的活性和化学性质。a s h k i n 在实验过程中发现， 有时光的烧伤现象很严重。对在水溶液中的聚苯乙烯乳胶微粒进行观察，当微粒 直径为1 脚时光阱俘获功率为零点几毫瓦，微粒存活1 0 分钟后缩小并消失：当 微粒直径为o 1 7 3 o n 时光阱俘获功率为l m w ，微粒存活几分钟后消失；当微粒直 径为0 1 0 9 u n 时，光阱俘获功率为1 2 - 1 5 m w ，微粒仅存在2 5 秒：当微粒直径为 3 5 8 5 n m 时，来不及观察微粒就消失了。象这样的热损伤是不能容忍和尽量要 避免的。 1 3 2 空心光阱的原理 单光束梯度力光阱自从a s h k i n 发明以来，己成功的应用于生命科学等领域 的研究，成为操作微米量级微粒的强有力的工具。但已有的光阱大多是实心光阱， 在使用中逐渐暴露出一些缺陷：在光阱对生物微粒的捕获实验中，传统的实心光 阱由于其横向高斯分布的特点光束中心集中了绝大部分能量且这些光在通过微 粒后的折射又较小，不但对梯度力几乎没有贡献，反而因反射而造成很大的散射 力，削弱了光阱的捕获效果；而且实际的材料对光还多少有些吸收，光束中心集 中了绝大部分能量，有时会造成对被捕获微粒很大的热损伤，这对一些活体生物 微粒是致命的。为此人们一直在努力提高光阱的捕获效果，即作用在微粒上的激 空心新型光阱的实验研究 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 光能量相同的条件下，得到更高的有效捕获力，因而能降低光阱的热损伤效应。 文献 1 6 用几何光学模型近似，光阱中微粒受梯度力、散射力和合力的大小 可以用关系式： ：坐g ，c = 型g ，和f = 型q 表示。 f0c 其中，强为有效折射率，无量纲因子绞、g 和q 表示各力随光功率变化的比 例系数，与微粒的几何外形和微粒在光阱中所处的位置有关。钱的工作是要提高 r 、 q 。，降低g ，从而提高q ，提高光阱能量利用效率。 由于捕获阱力与光阱光场的分布特性密切相关，人们研究利用波面转换来改 变光场能量分布，如形成空心光场，实现空心光阱，以达到要求。空心光阱是由 准平行空心光束经物镜耦合后形成的光阱，光束中心能量分布几乎为零。以前的 光阱一般都是用激光器自然输出的基模高斯光束来实现的，是实心光实现的光 阱，称之为实心光阱，我们是用空心光束来实现的光阱，称之为空心光阱。实心 光阱的缺点是效率低、热度高。在强聚焦的绝村。模光束的光轴中心附近，光强 极大，不仅对梯度力几乎没有贡献，反而造成很大的散射力，削弱了光阱的捕获 效果。同时，该处在微粒中心附近，光与微粒作用区间厚度大，光束的强度大， 因此吸收的光强也大。加上细胞内部中间有细胞核等重要结构，高强度光可能造 成非常严重的损害。已有的模拟计算表明，在相同的光功率下，空心光阱比一般 实心光阱具有更高的有效捕获力。6 ：“”，因而具有更高效率的优点，而且空心光 阱可以减少对生物微粒的伤害，使其在阱中更长时间存活，便于观察。下面就介 绍一下模拟计算的物理模型和计算结果。 y y 图卜7 空心光束梯度力阱的几何光 学模型，其中小球中心位于光轴上 空心新型光阱的实验研究 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 图卜7 是空心光束作用于一直径远大于光波长 的介质小球，形成的梯度力 光阱的简单几何光学模型。光阱是由入射的准平行空心光束经一高数值孔径的显 微物镜强聚焦形成的。图中给出小球的球心位于光轴( 2 轴) 的情况( 简单模型) 。 对实验中的o l y m p u su p l a n a p o l 0 0 n a = 1 2 5 油镜来说，入射光线的最大会聚 角，