光学微操作系统.ppt

1、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：,* 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,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-

2、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,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。,激光TEM00 基模高斯光束,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。,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,Z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

3、侧。 3.AB间：光镊的捕获域（焦点附近）。,阱力的计算与测量,斯托克斯定律： 流体力学中的Stokes公式： fmax6 r Vmax 其中为粘滞系数，r为微粒的半径，Vmax为逃逸速度。,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。,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,2.功率的范

4、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。,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。,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。

5、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。,发明专利申请号： 00112403X 专利申请日期： 2000.07.15,“光的力学效应测量”装置,基本光路,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

6、、油等。高放大倍数-油镜。,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。,实际光操控演示,直观 生动 有趣 微观光力学行为,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,1 ，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,实验原理,光

7、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1m衍射斑1m小球蒸发 小球在水中：,同样：升高一度,* 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：,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,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

8、斯定律:速度 光阱力,1970-1980,光悬浮 Optical levitation,光 -微小的宏观粒子,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,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。,水稻单条染色体分选,首次分选单条染色体 /中科大,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,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,光阱-PN力的测量 /