力的光学效应测量

1、中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光的力学效应光的力学效应-系列实验系列实验 李银妹李银妹 2006年.1月.10日 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 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 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系

2、列实验 光携带有能量和动量（线性动量和角动量）光携带有能量和动量（线性动量和角动量）,光与物体光与物体 相互作用时彼此交换能量和动量相互作用时彼此交换能量和动量. 光子能量：光子能量： 光子动量：光子动量： 光与人类生活的关系非常密切，伴随科学的发展和人光与人类生活的关系非常密切，伴随科学的发展和人 类文明的进步，人们对光的认识也越来越深入类文明的进步，人们对光的认识也越来越深入. h P hvE -光的动量是光的基本属性之一光的动量是光的基本属性之一 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验

3、光的效应光的效应: 在光的作用下，物体宏观上产生的各种现象在光的作用下，物体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 或力矩或力矩,物体发生位移物体发生位移,速度和角度的变化速度和角度的变化. 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, ), ) 光与物质相互作用光与物质相互作用光的效应光的效应 中国科学技术大学中国科学技术大学

4、 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 一一. . 光的力学效应历史与未来光的力学效应历史与未来 1. 1. 光光- -动量动量- -光压光压- -力力 2. 2. 普通光和激光的力学效应普通光和激光的力学效应 3. 3. 激光的力学效应激光的力学效应 ( (微观微观, ,界观界观, ,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 二二. . 光镊技术光镊技术 1. 1. 原理原理- -单光束梯度力光阱单光束梯度力光阱 2. 2. 特点和功能特点和功能 3. 3. 应用列举应用列举 三三. .

5、创建光的力学效应系列实验的意义创建光的力学效应系列实验的意义 1. 1. 线性动量线性动量 2. 2. 角动量角动量 四四. .光的线性动量实验光的线性动量实验 1. 1. 实验预习和基础实验预习和基础 2. 2. 实验内容实验内容 五五. .结束语结束语 本讲本讲 光的力学效应光的力学效应 主要内容安排主要内容安排: : 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 16161616年开普勒年开普勒-提出光压的概念提出光压的概念 从光的粒子性观念出发从光的粒子性观念出发- - 具有一定动量的光子入

6、射到物体上时无论是被吸具有一定动量的光子入射到物体上时无论是被吸 收或反射，光子的动量都会发生变化，因而必然会有收或反射，光子的动量都会发生变化，因而必然会有 力作用在物体上，这种作用力我们通常称为力作用在物体上，这种作用力我们通常称为光压光压。 光光-动量动量- - 光压光压-力力 一一. . 光的力学效应历史与未来光的力学效应历史与未来 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 历史上，康普顿效应是光子学说的重要实验历史上，康普顿效应是光子学说的重要实验 依据，也是依据，也是光子具有动量的直

7、接证明光子具有动量的直接证明。 典型的例子有典型的例子有X X光的康普顿散射。光的康普顿散射。 19231923年美国物理学家康普顿在研究年美国物理学家康普顿在研究X X射线光子射线光子 与自由电子之间的弹性碰撞，解释了实验观察到与自由电子之间的弹性碰撞，解释了实验观察到 的各种现象。在这一弹性碰撞过程中，光子与电的各种现象。在这一弹性碰撞过程中，光子与电 子相互作用，不仅要遵循能量守恒定律，而且要子相互作用，不仅要遵循能量守恒定律，而且要 遵循动量守恒定律遵循动量守恒定律。 光子具有动量，这在一些研究物质微观过程中光子具有动量，这在一些研究物质微观过程中 起着重要的作用。起着重要的作用。 康

8、普顿效应康普顿效应 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 单个光子动量很小单个光子动量很小: : 烈日烈日: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 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 smkgP h /.10 27 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品

9、课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 -高的光子流密度的激光束高的光子流密度的激光束 方向性好，高亮度方向性好，高亮度 光的力学效应能够得到充分展示光的力学效应能够得到充分展示 10mw10mw的的 He-Ne He-Ne 激光，亮度是太阳的一万倍！激光，亮度是太阳的一万倍！ 会聚光束的焦点处会聚光束的焦点处 1 1 微米小球受到的力可达微米小球受到的力可达10-10-6 6牛顿牛顿。 光的力学效应研究进入了一个全新的时代！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： 中国科学技术大学中国科学技术大

10、学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 1 1 光与光与微观微观粒子的相互作用粒子的相互作用 -原子原子/ /分子分子 光与光与微小宏观微小宏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 光与光与宏观物体宏观物体的相互作用的相互作用 2 2 -核聚变核聚变/ /发射微小卫发射微小卫 星星 光的力学效应的应用：光的力学效应的应用： 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 原子的激光冷却和捕陷原子的激光冷却

11、和捕陷- 1997 1997年年 诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖 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 玻色爱因斯坦凝聚的研究玻色爱因斯坦凝聚的研究- 2001 2001年年 诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖 C.E.C.E.维曼维曼 E.A.E.A.康奈尔康奈尔 W.W.克特勒克特勒 1.光与微观粒子的相互作用光与微观粒子的相互作用 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 世界上最大的功率和能量密度：世界上最大的功率和能量密度： 激光输出脉冲功率

12、已经超过激光输出脉冲功率已经超过1016w ; ; 聚焦强度达聚焦强度达 8 8101013 13/cm /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、能焊接、 加工和加工和 切割最难熔的材料切割最难熔的材料 光压光压- -世界上最高的压强世界上最高的压强： 相应的电场强度可达相应的电场强度可达 101021 21w/cm w/cm2 2 ; ; 相应的相应的光压时达光压时达 3 31011 大气压大气压 2.2.光的宏观力学效应光的宏观力学效应 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲

13、座：光的力学效应系列实验 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 使用高度会聚光束产生的使用高度会聚光束产生的 非均匀光场，造成梯度力势阱非均匀光场，造成梯度力势阱 光镊诞生了！光镊诞生了！ 3.光与微小的宏观粒子的相互作用光与微小的宏观粒子的相互作用 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光镊光镊 - - Optical tweezersOptical tweezers 用光做的镊子？用光做的镊子？ 光镊如何抓取物体光

14、镊如何抓取物体 ？ 光镊力有多大？光镊力有多大？ 光镊的力学效应的应用？光镊的力学效应的应用？ 光镊是什么？光镊是什么？ 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 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 二二. 光镊技术光镊技术 1 原理原理 2 特点特点 3 功能功能 4 应用应用 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 均匀光场均匀光场 非均匀光场非均匀光场 几何光学模

15、型几何光学模型 光镊的原理光镊的原理 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 单光束梯度力光场单光束梯度力光场 梯度力光阱原理梯度力光阱原理 nn1-nn1-小球小球/ /液体的折射率液体的折射率 一对典型的光线一对典型的光线a a和和b b经经 折射后产生力折射后产生力FaFa和和FbFb， 其矢量和其矢量和F F是指向焦点是指向焦点f f 处处 当小球的球心当小球的球心OO和焦点和焦点f f 间间 有偏离时，有偏离时，FaFa和和FbFb的合力的合力F F 总是使小球趋向焦点总是使小球趋向

16、焦点f f处，处， 力力F F是回复力是回复力. . 只有光场的梯度大到能保证只有光场的梯度大到能保证 焦点附近的梯度力大于散射焦点附近的梯度力大于散射 力时才能形成一个三维光学力时才能形成一个三维光学 势阱而稳定势阱而稳定地捕获微粒地捕获微粒. 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光镊操控光镊操控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 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效

17、应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 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, ,几十纳米几十纳米- -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。可以明显看到光阱周边的粒子以很快的速还是非常大的。可以明显看到光阱周边的粒子以很快的速 度度/ /加速度坠入阱中被囚禁，操控的速度相当的快。加速度坠入阱中被囚禁，操控的速度相当的快。 光镊光镊 光陷阱光陷阱- - 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课

18、程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光镊光镊基本操控方法基本操控方法 直接直接操控操控- -微米微米 间接间接操控操控- -纳米纳米 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 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 1mm 1nm 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 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精

19、品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 fN fN（1010-15 -15） ）-pN-pN（1010-12 -12） ） 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 ？ 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光镊光镊- 一种特殊的光场形成的光势阱一种特殊的

20、光场形成的光势阱, , 它是用光形成的镊子它是用光形成的镊子! ! 光镊具有机械镊子抓取物体的功能光镊具有机械镊子抓取物体的功能, , 是类比机械镊子形象的称呼是类比机械镊子形象的称呼 光镊光镊/ /光学镊子光学镊子/ /光学势阱光学势阱/ / 单光学梯度力势阱单光学梯度力势阱 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 研究个体行为的工具！研究个体行为的工具！ 应用都是基于对单个微粒的捕获与操控。应用都是基于对单个微粒的捕获与操控。 自然界，一切宏观现象都是大量个体行为的群自然界，一切宏观现象都

21、是大量个体行为的群 体效应，因此，解释宏观自然现象就需要获取体效应，因此，解释宏观自然现象就需要获取 单个微粒个体行为信息。能够实施对单个微粒单个微粒个体行为信息。能够实施对单个微粒 的操控正是研究个体行为的首要条件。的操控正是研究个体行为的首要条件。 光镊的特点光镊的特点 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 对对单个活体单个活体生物以生物以非接触非接触的的遥控遥控方式，实施方式，实施无损无损 无菌无菌操控；操控；实时动态实时动态跟踪、进行跟踪、进行微小力微小力的测量。的测量。 生命科学家

22、可以挑选所需要的特定活细胞来观察生命科学家可以挑选所需要的特定活细胞来观察 它的个体行为，研究特定的细胞间相互作用的基本它的个体行为，研究特定的细胞间相互作用的基本 过程。光镊提供了对生命活动的基本过程的研究所过程。光镊提供了对生命活动的基本过程的研究所 具有的具有的高度选择性高度选择性是传统研究方法不可比拟的。是传统研究方法不可比拟的。 光镊的特点光镊的特点 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光具有的穿透特性，使得光镊有光具有的穿透特性，使得光镊有隔墙取物隔墙取物 之功能。即光镊可以无

23、阻挡越过屏障，穿过透明之功能。即光镊可以无阻挡越过屏障，穿过透明 封闭系统的表层（细胞膜）操控其内部微粒（细封闭系统的表层（细胞膜）操控其内部微粒（细 胞器），也可以透过封闭的样品池的外壁，操控胞器），也可以透过封闭的样品池的外壁，操控 池内微粒，实现真正的无菌操作。池内微粒，实现真正的无菌操作。 机械镊子望尘莫及！机械镊子望尘莫及！ 光镊的特点光镊的特点 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光镊操控的可视性。光镊使细胞悬浮于液体光镊操控的可视性。光镊使细胞悬浮于液体 中所指定的位置，其四

24、周没有遮挡，完全暴露中所指定的位置，其四周没有遮挡，完全暴露 在我们视野中，研究者提供了极大的方便。在我们视野中，研究者提供了极大的方便。 光镊系统实时显示，完整保留活体细胞和大光镊系统实时显示，完整保留活体细胞和大 分子生命活动，能反应体系作用过程的特性是分子生命活动，能反应体系作用过程的特性是 其它方法所不具备的。其它方法所不具备的。 光镊系统的特点光镊系统的特点 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 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。 光镊能够操控粒子，实际上是

25、光镊向微粒施加光镊能够操控粒子，实际上是光镊向微粒施加 了作用力。了作用力。 光镊能实时感应微小的负荷光镊能实时感应微小的负荷(fN)(fN)，是，是 极其灵敏的力传感器。极其灵敏的力传感器。 光镊是揭示生命过程中物质输运、能量转换和光镊是揭示生命过程中物质输运、能量转换和 信息传递规律的研究工具。信息传递规律的研究工具。 光镊的特点光镊的特点 ? 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 # 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

26、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: 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 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

27、-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 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 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” 人类首次实际测量到由化学能转变成机械人类首次实际测量

28、到由化学能转变成机械 能的原动力能的原动力肌肉运动的原始动力过程肌肉运动的原始动力过程- - 驱动蛋白分子吸收一个驱动蛋白分子吸收一个ATPATP能量后的分布能量后的分布 运动状态，运动步长为运动状态，运动步长为8 8纳米。纳米。 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 国际研究成果举例国际研究成果举例 NatureNature 生物大分子生物大分子 精细操作精细操作 双光镊对肌动蛋白双光镊对肌动蛋白 进行打结进行打结. . Science 光镊控制粘有肌动蛋白的小球接光镊控制粘有肌动蛋白的小

29、球接 触微管触微管,研究其运动特性研究其运动特性. 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 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 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

30、例国际研究成果举例 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光镊的应用 原生原生 质体的质体的 融合融合 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/ /中国科学技术大学科大中国科学技术大学科大 中国

31、科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 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 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 烟草细胞烟草细胞 原生质体的融合原生质体的融合 单细胞融合单细胞融合 光镊操控单细胞融合实验方法光镊操控单细胞融合实验方法 中国科学技术大学中国科学技术大学

32、 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光镊分选单条染色体光镊分选单条染色体 水稻细胞水稻细胞 - 荧光标记荧光标记 - 细胞残核细胞残核 - 条染色体群条染色体群 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 微米粒子稳定的空间排布微米粒子稳定的空间排布 4848个个2 2微米聚苯乙烯小球组合而成微米聚苯乙烯小球组合而成 平面构图平面构图 立体构建立体构建 侧面观察，由四个侧面观察，由四个 小球垒成支撑柱小球垒成支撑柱。 光镊操

33、控单粒子光镊操控单粒子 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 分散体系中微粒的分散体系中微粒的 聚集通常都是随机的。聚集通常都是随机的。 用逐个操控单个粒子的用逐个操控单个粒子的 方法。按设定要求排布方法。按设定要求排布 出具有稳定空间结构的出具有稳定空间结构的 粒子聚集粒子聚集体。 光镊在三维空间排布光镊在三维空间排布微粒微粒 纳微器件，微机械，生物器件的组装和表征纳微器件，微机械，生物器件的组装和表征 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的

34、力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 建立了光镊研究单分子力学行为的实验方法。建立了光镊研究单分子力学行为的实验方法。 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 三三. 创创建光的力学效应教学实验的意义？建光的力学效应教学实验的意义？ 光的动量是光的基本属性之一光的动量是光的基本属性之一 -认知光的基本属性认知光的基本属性 2. 2. 光的力学效应及其应用是当今科学研究的前沿光的力学效应及其应用是当今科学研究的前沿 问题，是多学科交叉的基础问题，是多学科交叉的基础 3. 3.

35、填补教学空白填补教学空白 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 列别捷夫列别捷夫扭秤扭秤实验装置实验装置 16161616年年 开普勒提出光压的概念开普勒提出光压的概念 18731873年年 麦克斯韦用电磁波的理论麦克斯韦用电磁波的理论 证明了光压的存在，证明了光压的存在， 具体计算了光的压力。具体计算了光的压力。 18951895年年 光压的实验证明光压的实验证明 光的力学效应实验的历史回顾光的力学效应实验的历史回顾 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理

36、实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 普通光源普通光源- - 光的力学性质的研究受到限制。光的力学性质的研究受到限制。 历史以来物理教科书上对光子的动量这一重要属性历史以来物理教科书上对光子的动量这一重要属性 仅作简略的知识介绍。仅作简略的知识介绍。 从对光的认知和物理教学体系来讲这是一个非常大从对光的认知和物理教学体系来讲这是一个非常大 的缺憾，是知识的的缺憾，是知识的空白点空白点。 创建光的力学效应实验的意义创建光的力学效应实验的意义 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的

37、力学效应系列实验 光镊是利用光与物质相互作用时产生的力光镊是利用光与物质相互作用时产生的力 学效应这一原理而实现的。学效应这一原理而实现的。 光镊的发明为直观生动地演示光的力学效光镊的发明为直观生动地演示光的力学效 应提供了极好的手段。应提供了极好的手段。 作者基于作者基于863863科研成果，利用光镊技术科研成果，利用光镊技术 19991999年首次开设了直观演示和测量光的力学年首次开设了直观演示和测量光的力学 效应的实验。效应的实验。 光镊是光的力学效应的典范光镊是光的力学效应的典范 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学

38、物理实验讲座：光的力学效应系列实验 完善知识结构培养符合时代需要的人才完善知识结构培养符合时代需要的人才 科学技术发展的需要普及和掌握新技术科学技术发展的需要普及和掌握新技术 物理学领域物理学领域理解光的力学效应理解光的力学效应 对光的本质的认知和研究对光的本质的认知和研究 非物理学领域非物理学领域 了解光镊技术和特点了解光镊技术和特点 学习光镊仪器的操作和使用学习光镊仪器的操作和使用 开拓光镊技术的应用开拓光镊技术的应用 传播知识传播知识, ,宣传新技术宣传新技术, ,促进科学技术发展！促进科学技术发展！ 开展光的力学效应的教学目的：开展光的力学效应的教学目的： 中国科学技术大学中国科学技术

39、大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 实验目的实验目的: :加深对光具有动量基本属性的认识加深对光具有动量基本属性的认识 ，感知光的力学效应，了解光镊技术。，感知光的力学效应，了解光镊技术。 ( (预备知识预备知识, ,实验预习和预习效果检查实验预习和预习效果检查) ) 实验的特殊性实验的特殊性如何进入角色如何进入角色 一一. .实验装置实验装置 二二. .实验内容实验内容 三三. . 思考题思考题- - 四四. . 附录附录 四四 光的线性动量实验光的线性动量实验 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家

40、级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 实验基础：光学，显微镜的使用实验基础：光学，显微镜的使用, , 首先阅读实验讲义，理解实验目的和原理；了解首先阅读实验讲义，理解实验目的和原理；了解 光学微操作仪的功能和仪器的操作要领，希望在具光学微操作仪的功能和仪器的操作要领，希望在具 体的实验研究工作中注意掌握操作要领。体的实验研究工作中注意掌握操作要领。 在实验中要用心感受光镊的力学效应，仔细观察在实验中要用心感受光镊的力学效应，仔细观察 实验现象实验现象, , 体会显微操作技巧，领略光镊技术巧夺天体会显微操作技巧，领略光镊技术巧夺天 工之神奇工之

41、神奇, ,将有助于你把握光镊技术和顺利完成实验。将有助于你把握光镊技术和顺利完成实验。 实验预习和准备实验预习和准备 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光镊微操作仪是用于对微小的宏观粒子进行操控的设备光镊微操作仪是用于对微小的宏观粒子进行操控的设备. . 一个人眼看不见的细胞通过光学放大呈现在我们眼前，本一个人眼看不见的细胞通过光学放大呈现在我们眼前，本 实验带领我们进入一个未知的微观世界！实验带领我们进入一个未知的微观世界！ 我们要用光镊来搬运这些微小的细胞，希望它们能够按我们要用光镊

42、来搬运这些微小的细胞，希望它们能够按 照我们的意志运动，我们必须具备操控精度达微米级的能照我们的意志运动，我们必须具备操控精度达微米级的能 力。操作是极其精致的！实验具有挑战性！力。操作是极其精致的！实验具有挑战性！ 微米级的操控需要良好的稳定环境，工作时请不要磕碰微米级的操控需要良好的稳定环境，工作时请不要磕碰 防震台，心静手稳防震台，心静手稳 ，动作轻巧。用你的智慧和心灵把握光，动作轻巧。用你的智慧和心灵把握光 镊这个无形的机械手，你将能够自如的遨游在微观世界镊这个无形的机械手，你将能够自如的遨游在微观世界！ 实验前的心理准备 实验前的心理准备 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品

43、课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光镊操控的原理和方法光镊操控的原理和方法 操控物体并使之运动操控物体并使之运动-具备能够产生相对的运动的条件具备能够产生相对的运动的条件 本实验设计本实验设计: :光镊静止光镊静止, , 光镊操控细胞所在环境运动光镊操控细胞所在环境运动 方法方法: : 显微镜平台以速度显微镜平台以速度V V带动样品池运动带动样品池运动, , 被光镊捕获的粒子与环境产生相对运动被光镊捕获的粒子与环境产生相对运动 光捕获光捕获 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学

44、效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 R6F 光镊力的测量原理和方法光镊力的测量原理和方法 流体力学方法流体力学方法Stokes公式公式: : 其中其中 为液体粘滞系数，为液体粘滞系数，R R为微为微 粒的半径，当速度增加到粒的半径，当速度增加到VmaxVmax 时时, ,细胞将脱离光镊的束缚离开光细胞将脱离光镊的束缚离开光 阱阱, ,此此VmaxVmax为细胞的逃逸速度。为细胞的逃逸速度。 当光阱捕获一个处于流场中的微粒时，光阱力和流场的当光阱捕获一个处于流场中的微粒时，光阱力和流场的 粘滞阻力相平衡，该粘滞阻力符合斯托克斯公式粘滞阻力相平衡，该粘滞阻力符合斯托克斯公式 。 显

45、微镜平台显微镜平台 显微镜平台显微镜平台 光镊光镊 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 LOT-光镊微操作仪光镊微操作仪 1.光镊光路系统光镊光路系统 2.光镊机体光镊机体 3.防震台防震台 4.显示器显示器 5.工作台工作台 6.计算机主机计算机主机 光镊机体光镊机体 光镊光路系统光镊光路系统 防震台防震台 显示器显示器 工作台工作台 计算机主机计算机主机 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应

46、系列实验 1.1.光镊光源光镊光源 2.2.光学耦合器光学耦合器 3.3.全反射镜全反射镜 4.4.双向分束板双向分束板 5.5.会聚透镜会聚透镜/ /高倍物镜高倍物镜 6.6.样品台样品台 7.7.样品池样品池 8.8.样品照明电源样品照明电源 9.9.激光滤波片激光滤波片 10.10.数码摄影头数码摄影头 11,12.11,12.图象显示与处理图象显示与处理 光的力学效应实验光路图光的力学效应实验光路图 实验装置和光路实验装置和光路 样品台样品台 光镊光源光镊光源 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力

47、学效应系列实验 *光镊光源光镊光源780nm780nm，功率，功率100mW100mW *酵母细胞直径约酵母细胞直径约 5 5mm *物镜可调范围物镜可调范围10mm,10mm,微调最小分度微调最小分度2 2mm每小格每小格 *系统放大约系统放大约4000 4000 倍倍 *平台调节范围：平台调节范围：110mm 110mm 70mm70mm *视频图像每视频图像每六个像素为六个像素为1 1mm *每两帧图像之间的时间间隔为每两帧图像之间的时间间隔为1/151/15秒秒 *静态和动态显微图象静态和动态显微图象实时显示实时显示, ,记录记录, ,回放回放 *计算配套软件计算配套软件Lasertr

48、ap Lasertrap 光镊系统的参数光镊系统的参数 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光镊系统实验配套软件光镊系统实验配套软件Lasertrap”Lasertrap” 帮助文件帮助文件 1 1实验动态图象记录实验动态图象记录 2 数据处理程序数据处理程序 启动桌面上的 启动桌面上的“视频捕捉视频捕捉”程序程序 根据附录根据附录“计算机多媒体教学视频操计算机多媒体教学视频操 作作”使用此程序。使用此程序。 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座

49、：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 100100倍物镜匹配油倍物镜匹配油 物镜油清洗液物镜油清洗液 样品样品( (干酵母干酵母) ) 专用样品池专用样品池 吸管（用于吸取样品吸管（用于吸取样品 ） 样品制备三角烧瓶样品制备三角烧瓶 棉签（用于擦洗镜头）棉签（用于擦洗镜头） 擦镜纸（用于擦洗镜头）擦镜纸（用于擦洗镜头） 实验用样品和附件实验用样品和附件 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 注意：缓慢调节电流调节旋钮注意：缓慢调节电流调节旋钮, ,电流最大值不要超过电

50、流最大值不要超过“0080”0080” 仪器部件的功能和操作指南仪器部件的功能和操作指南 光镊光源电流控制盒光镊光源电流控制盒 电流数码显示窗电流数码显示窗 电流调节旋钮，顺时针旋转为增大电流调节旋钮，顺时针旋转为增大 202530354045505560 -5 0 5 10 15 20 25 p(mw) I (mA) 激光输出激光输出P PI I关系关系 电流电流 功率功率 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 物镜调节手轮的调节方法 物镜调节手轮的调节方法 F F F F 物镜微调、粗调

51、手轮用于控制物镜升降物镜微调、粗调手轮用于控制物镜升降 正确调节：均匀旋转，切向受力正确调节：均匀旋转，切向受力 错误调节：径向受力，影响仪器稳定性错误调节：径向受力，影响仪器稳定性 微调手轮微调手轮 粗调手轮。粗调手轮。 正确调节正确调节错误调节错误调节 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 0.17mm0.17mm玻片玻片 物镜上升物镜上升 油入物镜后油入物镜后, ,缓慢上升物镜缓慢上升物镜. . 油浸物镜的使用油浸物镜的使用 提示：提示：油不能滴太多，不能让油瓶嘴触到物镜头。油不能滴太

52、多，不能让油瓶嘴触到物镜头。 提示：折射率匹配提示：折射率匹配 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 成成清晰清晰像像成成模糊模糊像像 显微成像调节与光镊位置的观察显微成像调节与光镊位置的观察 照明灯光强适度，用照明灯光强适度，用 微调手轮缓慢移动物镜微调手轮缓慢移动物镜 ，使酵母细胞在屏幕上，使酵母细胞在屏幕上 的像达到最清晰。的像达到最清晰。 暗场，暗场，4040倍物镜下倍物镜下, ,缓慢调节显微镜粗缓慢调节显微镜粗 调手轮调手轮, ,逐步升高物镜逐步升高物镜, , 再调节微调手轮再调节

53、微调手轮, , 边边 调节边注意观察显示器屏幕调节边注意观察显示器屏幕, ,物镜高度合适物镜高度合适 时时, ,屏幕出现如右图所示的图象，亮斑处即屏幕出现如右图所示的图象，亮斑处即 光镊所在位置。光镊所在位置。 寻找光镊位置寻找光镊位置 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 提示：提示：样品的浓度按实验的需要随时进行调整样品的浓度按实验的需要随时进行调整 样品制备样品制备 酵母溶液配置：酵母溶液配置： 取几粒干酵母放入三角烧瓶中，注入约取几粒干酵母放入三角烧瓶中，注入约10ml10ml 蒸馏

54、水充分搅拌，使团状酵母分散成个体悬浮在蒸馏水充分搅拌，使团状酵母分散成个体悬浮在 溶液中。溶液中。 酵母溶液酵母溶液 专用样品池专用样品池 先把空样品池置于样品台上，加入适量样品溶液（如上图）先把空样品池置于样品台上，加入适量样品溶液（如上图） 注意不要使样品溢出样品池口。注意不要使样品溢出样品池口。 调节物镜，使样品池底面（底玻片的上表面也即溶液的底层）成像调节物镜，使样品池底面（底玻片的上表面也即溶液的底层）成像 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光的力学效应线性动量光的力学效应线性

55、动量-实验内容实验内容 1.1. 光陷阱效应实验光陷阱效应实验 2.2. 光镊在横向操控微粒实验光镊在横向操控微粒实验 3.3. 光镊在纵向操控微粒实验光镊在纵向操控微粒实验 4.4. 最大光阱力的流体力学测量法实验最大光阱力的流体力学测量法实验 5.5. 光阱力和光功率的关系实验（选做实验） 6. 纵向逃逸力的测量实验（选做实验） 7. 微米小球的排布（设计型实验） 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 1 光光陷阱陷阱效应实验效应实验 通过移动样品台，使视场中某个微粒接近光阱，通过移动样

56、品台，使视场中某个微粒接近光阱，静态静态观观 察粒子陷入光阱的过程察粒子陷入光阱的过程和捕获粒子的能力和捕获粒子的能力，记录在没有外，记录在没有外 力作用的情况下粒子自己陷入光阱前后的位置，计算光阱力作用的情况下粒子自己陷入光阱前后的位置，计算光阱 的作用力范围，即阱域的大小。的作用力范围，即阱域的大小。 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 利用光镊在利用光镊在X-YX-Y平面自由操控粒子，观察动态过程平面自由操控粒子，观察动态过程 2 光镊在光镊在横向横向操控微粒实验操控微粒实验 光镊捕

57、获了一微粒，光镊捕获了一微粒， 操控样品台实现粒子操控样品台实现粒子 在在X-YX-Y平面运动平面运动 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 光镊捕获了一微粒，升降物镜改变光阱在纵向的位置，光镊捕获了一微粒，升降物镜改变光阱在纵向的位置， 被捕获的粒子也随之沉浮，这时它的像依然清晰，而原被捕获的粒子也随之沉浮，这时它的像依然清晰，而原 先与其在同一层面的粒子，图像变得逐渐模糊，表明光先与其在同一层面的粒子，图像变得逐渐模糊，表明光 镊实现了对粒子的纵向操控。镊实现了对粒子的纵向操控。 3 光

58、镊在光镊在纵向纵向操控微粒实验操控微粒实验 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 流体力学中的流体力学中的StokesStokes公式：公式： 其中其中为粘滞系数，为粘滞系数，r r为微粒的半径，为微粒的半径，V Vmax max为逃逸速度 为逃逸速度。 光阱操纵微粒相对流体运动时，微粒将受到液体的粘滞阻力光阱操纵微粒相对流体运动时，微粒将受到液体的粘滞阻力F F -测量微粒的逃逸速度。测量微粒的逃逸速度。 4 最大最大光阱力光阱力的流体力学测量实验的流体力学测量实验 maxmax 6rvF

59、 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 操控样品台，用光镊捕获一个酵母细胞操控样品台，用光镊捕获一个酵母细胞( (左图左图) )。点。点 击视频捕捉中的录像键，开始录像。再移动样品台，击视频捕捉中的录像键，开始录像。再移动样品台， 缓慢加速直至小球逃逸，在小球逃逸后停止录像。缓慢加速直至小球逃逸，在小球逃逸后停止录像。 用分析录像软件打开所录制的图像用分析录像软件打开所录制的图像( (右图右图) ) 。把视图。把视图 中小球完全逃逸的一帧图像定为标定帧中小球完全逃逸的一帧图像定为标定帧 。

60、阱力的测量阱力的测量 与图象分析与图象分析1 1 中国科学技术大学中国科学技术大学 国家级精品课程国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验 阱力的测量阱力的测量 与图象分析与图象分析2 2 分析显微摄像，截取微粒刚逃出光阱时连续两幅图分析显微摄像，截取微粒刚逃出光阱时连续两幅图 象，通过两幅图象中微粒的位移和截取两幅的时象，通过两幅图象中微粒的位移和截取两幅的时 间间隔，得到微粒逃出光阱时的瞬时速度，然后间间隔，得到微粒逃出光阱时的瞬时速度，然后 用这瞬时速度计算光阱的最大阱力。用这瞬时速度计算光阱的最大阱力。 中国科学技术大学中国科学技术大