光的力學(xué)效應(yīng)-光鑷原理及應(yīng)用--《大學(xué)物理》系列講座

1、光的力學(xué)效應(yīng) —光鑷原理及應(yīng)用,朱艷英,2014.04.28,系列專題報(bào)告（二）,1.光的力學(xué)效應(yīng)機(jī)理2.光輻射壓力——光壓3.激光的力學(xué)效應(yīng) （微觀,介觀,宏觀）4.光鑷——光的力學(xué)效應(yīng)的典型5.光鑷原理及應(yīng)用,提 綱,光的力學(xué)效應(yīng)？光有力量嗎？,光子與物體的相互作用,從”光與物質(zhì)的相互作用”說起……,有？沒有？,光的效應(yīng): 在光的作用下，物體在宏觀上產(chǎn)生的各種現(xiàn)象。光的熱學(xué)效應(yīng): 光與

2、物體相互作用時(shí)物體的溫度發(fā)生變化.—常見現(xiàn)象光的力學(xué)效應(yīng): 光與物質(zhì)間交換動(dòng)量，使受光照射的物體獲得一個(gè)力或力矩，物體發(fā)生位移、速度和角度的變化. —難以察覺 (光電效應(yīng),磁光效應(yīng),光化學(xué)效應(yīng), 康普頓效應(yīng)……),光與物質(zhì)相互作用—光的效應(yīng),光有波粒二向性——光既有波動(dòng)性又有粒子性。 光的粒子性——光束可以看作是由一系列光子流組成。 每個(gè)光子攜帶有能量和動(dòng)量（線性動(dòng)量和角動(dòng)量）, 光子能量：

3、 光子動(dòng)量： 光與物體相互作用時(shí)彼此交換能量和動(dòng)量.,1.光的力學(xué)效應(yīng)機(jī)理,(普朗克常量 h=6.63×10-34 J·s),光---動(dòng)量--- 光壓---力,,2.光輻射壓力—光壓,17世紀(jì)，德國天文學(xué)家,開普勒就猜想彗星的尾巴背向太陽是因?yàn)槭艿教柕妮椛淞Α?,2.光輻射壓力—光壓,J C Maxwell: “In a medium

4、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)——(波在介質(zhì)中傳播，其壓力的方向沿波的傳播方向，大小等于單位體積波的能量),P N Lebedev was the firs

5、t (1901) to measure the pressure of light, confirming predictions based on Maxwell’s equations. He was also the first to show that this pressure is twice as great for reflecting surfaces as for absorbing surfaces. (列別捷夫

6、1901年基于麥克斯韋方程組首次測(cè)量光壓力，該壓力一部分從物體表面反射，一部分被物體表面吸收),單個(gè)光子動(dòng)量很小: 普通光源的力學(xué)效應(yīng)微乎其微！ 光子密度低，方向性差！ 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和測(cè)量極其困難！,為什么我們感受不到光的壓力？,普通光源,為什么我們感受不到光的壓力？ ——因?yàn)槠胀ü鈮禾?據(jù)估算，當(dāng)太陽光垂直入射地球表面時(shí)，其光壓約為：p = 0.5 達(dá)因/平方米。 達(dá)因：質(zhì)量為1克的物體產(chǎn)

7、生1厘米/秒2的加速度所需要的力0.00001牛頓） 1達(dá)因/平方米是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的億萬分之一 。,激光的特點(diǎn)：方向性好，高亮度 例如：10mw的 He-Ne 激光，亮度是太陽的一萬倍！ 對(duì)于一臺(tái)光強(qiáng)呈高斯型分布，功率為10mw的氦氖激光器發(fā)射的激光束，若光束發(fā)散角為2´，把激光聚焦到光學(xué)衍射極限光斑(約10-8 cm)，其單位面積的光功率密度將是太陽光的108倍，把一個(gè)1微

8、米量級(jí)的電介質(zhì)小球置于此氦氖激光聚焦點(diǎn)處，小球?qū)?huì)受到106達(dá)因的輻射壓力，從而產(chǎn)生105g的加速度 (g為重力加速度)。 從此，光的力學(xué)效應(yīng)研究進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)代！,,1960年激光問世,-----高的光子流密度的激光束,第一臺(tái)紅寶石激光器組件,激光與普通燈光的比較,普通光源——自發(fā)輻射,激光——受激輻射,激光優(yōu)點(diǎn)：高單色性，高亮度，相干性好。,激發(fā)光放大或光子復(fù)制,▲ 激光與微觀粒子的相互作用 ---原子/分

9、子 nm 級(jí)別▲ 激光與微小宏觀(介觀)粒子的相互作用 ---納米/微米粒子 μm 級(jí)別▲ 激光與宏觀物體的相互作用 mm以上級(jí)別 ---激光加工/核聚變/激光武器,3.激光的力學(xué)效應(yīng),原子的激光冷卻和捕陷S. 朱棣文 ，C.C.達(dá)諾基， W.D.菲利浦斯 1997年 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),激光與微觀粒子的相互作用,原子冷卻——不停熱運(yùn)動(dòng)的原子速度(v =104~ 105cm/s)慢下來,六束各向

10、同性激光輻射與具有熱速度分布原子氣體冷卻,,原子的激光冷卻—原理圖,激光掃頻法：(Frequency Chirping) 基本思想是讓冷卻激光的頻率連續(xù)跟隨原子多普勒頻移的變化，持續(xù)保持共振。,這種方法在使用中得到了發(fā)展，成功地將原子束減速。,原子的激光冷卻—實(shí)驗(yàn)裝置圖,朱棣文1985年所用的儀器,1985年，朱棣文用兩種不同的方法(二維光學(xué)勢(shì)阱和磁光量子阱)實(shí)現(xiàn)原子冷卻，溫度冷卻到2.4×10-4 開爾文(K)。 1

11、986年光鑷的出現(xiàn)，才真正實(shí)現(xiàn)原子的三維捕獲（10-4K）,激光與微觀粒子的相互作用,這項(xiàng)研究促進(jìn)了玻色－愛因斯坦凝聚的研究---2001年 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——C.E.維曼， E.A.康奈爾，W.克特勒因發(fā)現(xiàn)了“堿金屬原子稀薄氣體的玻色-愛因斯坦凝聚”這一新的物質(zhì)狀態(tài),原子冷卻達(dá)到了絕對(duì)零度高0.5納開爾文nK的溫度。,銣原子速度的分布玻色－愛因斯坦凝聚,實(shí)現(xiàn)原子復(fù)制,激光的宏觀力學(xué)效應(yīng),世界上較大激光輸出脈沖功率達(dá)1016w ;

12、聚焦強(qiáng)度達(dá) 8×1013W/cm2 ;可產(chǎn)生億度以上的高溫, 能焊接、加工和 切割最難熔的材料世界上最高光壓：相應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá) 1021w/cm2 ;相應(yīng)的光壓達(dá) 3×1011 大氣壓,激光加工,激光打孔,激光切割,激光加工,激光快速成型,激光焊接,Laser fusion激光核聚變,可控制地在高溫下聚合成重原子核：點(diǎn)火條件 (4億度維持1秒）,上海光機(jī)所神光Ⅱ號(hào)裝置,,反衛(wèi)星激光武器發(fā)射的激光束

13、，輻射強(qiáng)度高，能在空間、時(shí)間上，將能量高度集中，具有殺傷破壞作用。它的主要?dú)饔檬菬嵝?yīng)，即利用高溫?zé)龤Щ蛑貏?chuàng)太空中的軍用衛(wèi)星。激光束也有一定的沖擊效應(yīng)，使衛(wèi)星上的零部件損壞或者偏離軌道。,,反衛(wèi)星激光武器,反衛(wèi)星激光武器是一種遠(yuǎn)程戰(zhàn)略激光武器,光 鑷 ——單光束梯度力光阱 1986 A. Ashkin 使用高度會(huì)聚激光束產(chǎn)生了非均勻光場(chǎng)，造成梯度力勢(shì)阱 第一臺(tái)光鑷儀器誕生了！,,激光與微小的宏觀粒子(介觀粒子)

14、相互作用,Arthur Ashkin在貝爾實(shí)驗(yàn)室中,光鑷 -- Optical tweezers ▲ 用光做的鑷子？ 光鑷如何抓取物體 ？ ▲ 光鑷基本原理 ▲ 光鑷力有多大？ ▲ 光鑷的力學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用,光鑷是什么？,,煙草細(xì)胞在光鑷的操控下定向運(yùn)動(dòng),光鑷如何抓取物體 ？,,光鑷操控直徑1微米粒子,三維空間X-Y平面Z縱方向懸浮微粒,,光鑷的基本原理—散射力,,二維光學(xué)勢(shì)阱,(a) 基模高斯光束 (b) x

15、oy平面內(nèi)光強(qiáng)I隨偏離光軸距離r的變化圖 2 高斯光束光場(chǎng)分布,,二維光學(xué)勢(shì)阱---光懸浮,香港城市大學(xué)發(fā)明新激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)空氣污染系統(tǒng)， 其原理是當(dāng)激光遇上空氣中的懸浮粒子時(shí)便會(huì)反射至地上。 地面接收器則會(huì)分析反射光束的數(shù)量，以計(jì)算空氣的污染情況。 最高可探測(cè)到5 公里上空的空氣污染情況,光懸浮監(jiān)測(cè)空氣污染,二維光學(xué)勢(shì)阱—光夾持 —雙光束捕陷,激光制冷技

16、術(shù)的基礎(chǔ),單光束梯度力阱—三維光學(xué)勢(shì)阱—光鑷,入射的高斯激光束經(jīng)過大數(shù)值孔徑透鏡聚焦后形成高度會(huì)聚的激光束作用到小球上。當(dāng)軸外光束a和b穿過小球時(shí)被折射，其傳播方向趨向于更平行于光軸，則光束的縱向動(dòng)量變大了。根據(jù)動(dòng)量守恒定律，小球獲得了與光束傳播方向相反的動(dòng)量，即小球受到了縱向的拉力——梯度力。激光斑直徑mm會(huì)聚到μm量級(jí),,單光束梯度力阱—光鑷,1986年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Arthur Ashkin等人發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)喂馐叨染劢沟募す饪?/p>

17、以穩(wěn)定的捕獲直徑數(shù)納米到數(shù)十微米的微粒。首次實(shí)現(xiàn)了單光束梯度力阱，即三位光學(xué)勢(shì)阱，并形象的稱之為“光鑷”。,,,,,單光束梯度力阱—光鑷,光鑷操控微粒的現(xiàn)象尤如宇宙黑洞或吸塵器將微粒吸入無底的深淵。 阱域、阱深和阱力對(duì)于微小的粒子/細(xì)胞,幾十納米-幾十微米，光的力學(xué)效應(yīng)還是非常大的?？梢悦黠@看到光阱周邊的粒子以很快的速度/加速度墜入阱中被囚禁，操控的速度相當(dāng)?shù)目臁?光鑷– 光陷阱--,一是光強(qiáng)分布具有大的梯度，高度聚焦的激光

18、束形成的激光微束就具有大的強(qiáng)度梯度，這樣才能產(chǎn)生足夠的梯度力來捕獲住微粒。 二是粒子的折射率大于周圍介質(zhì)的折射率，這時(shí)因?yàn)槿绻?，光線穿過粒子時(shí)粒子將被從光場(chǎng)強(qiáng)度高的地方推向光場(chǎng)強(qiáng)度低的地方，粒子將被推離光場(chǎng)。 在滿足上述的基本條件后，微粒能否被穩(wěn)定地捕獲住還涉及物理與生物粒子方面的性質(zhì)。如激光微束的光波長、激光功率、束腰半徑、生物微粒的大小、 球半徑，極化狀態(tài)光會(huì)聚角、吸收系數(shù)和粒子與周圍介質(zhì)的相對(duì)折射率，以及球心與光軸的距

19、離和球心與束腰的距離等等。。,光鑷能夠穩(wěn)定的捕獲微粒的首要條件,光鑷原理,小球受光阱力的計(jì)算方法A.第一類粒子Mie Particle(米氏粒子)當(dāng)粒子半徑R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入射光波在真空中的波長 R > 5?所采用的計(jì)算方法: 采用幾何光學(xué)的近似算法(射線光學(xué)模型 ),,光鑷原理,射線光學(xué)模型 (Ray-Optics),,,,,,光鑷原理,米氏粒子所受光阱力：,光鑷原理,B

20、.第二類粒子Rayleigh Particles(瑞利粒子)當(dāng)粒子半徑R遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射光波在真空中的波長R <λ/20所采用的計(jì)算方法： 用瑞利散射的理論進(jìn)行近似計(jì)算,光鑷原理,光鑷原理,C.第三類粒子（ R ~?）介觀粒子在實(shí)驗(yàn)中，由于尺度與波長相近的粒子易被很牢固地捕捉。所以我們經(jīng)常用這樣的粒子作為探測(cè)對(duì)象，去研究我們感興趣的微觀現(xiàn)象。但很不幸，在此尺度內(nèi)(介觀領(lǐng)域)，我們?nèi)鄙倥c之相配的理論，這就給我們帶來了數(shù)

21、值計(jì)算上的困難。,光鑷原理,C.第三類粒子（ R ~?）介觀粒子近年來理論發(fā)展的方向是，將光阱中光的散射過程視為電磁散射問題，則通過求解麥克斯韋方程就可以求解光的散射場(chǎng)。在電磁場(chǎng)計(jì)算領(lǐng)域，求解麥克斯韋方程有多種數(shù)值方法：有限元法（Finite Element Method ) ，有限微分時(shí)域算法(FDTD)又叫時(shí)域有限差分法，離散偶極子近似算法(Discrete Dipole Approximation)，T矩陣算法（T-matri

22、x method）等等,光鑷原理,光鑷原理,光鑷原理,,,光鑷—基本操控方法,直接操控-微米粒子 間接操控-納米粒子,,光鑷操縱微粒的尺度：納米-微米,,fN（10-15N）-pN（10-12N） 1 fN/人 X60億 -- 1根發(fā)絲 ---細(xì)胞，單分子間的相互作用力 傳遞微小力的使者 --微小力的探針！,光鑷力有多大 ？,光鑷--- 一種特殊的光場(chǎng)形成的光學(xué)

23、勢(shì)阱，它是用光形成的鑷子! 光鑷具有機(jī)械鑷子抓取物體的功能，是類比機(jī)械鑷子形象稱呼。 光鑷/ 光學(xué)鑷子/ 光學(xué)勢(shì)阱/ 三維光學(xué)勢(shì)阱/ 單光束梯度力勢(shì)阱,研究個(gè)體行為的工具?。。∽匀唤?，一切宏觀現(xiàn)象都是大量個(gè)體行為的群體效應(yīng)，而光鑷能夠?qū)嵤?duì)單個(gè)微粒(細(xì)胞或大分子)的操控。(1)對(duì)單個(gè)活體生物以非接觸的遙控方式，實(shí)施無損無菌操控；實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤、進(jìn)行微小力的測(cè)量。(2) 光鑷可以穿過透明封閉系統(tǒng)

24、的表層（細(xì)胞膜）操控其內(nèi)部微粒（細(xì)胞器），也可以透過封閉的樣品池的外壁，操控池內(nèi)微粒，實(shí)現(xiàn)真正的無菌操作。使得光鑷有‘隔墻取物’之功能。(3)光鑷是微小力的探針，類似彈簧，是極其靈敏的力傳感器。,光鑷的特點(diǎn),一是光強(qiáng)分布具有大的梯度，經(jīng)過大數(shù)值孔徑的透鏡聚焦的激光束可以滿足這一條件。 二是粒子的折射率大于周圍介質(zhì)的折射率，這時(shí)因?yàn)槿绻?，光線穿過粒子時(shí)粒子將被從光場(chǎng)強(qiáng)度高的地方推向光場(chǎng)強(qiáng)度低的地方，粒子將被推離光場(chǎng)。,光鑷能夠穩(wěn)定的

25、捕獲微粒的首要條件,▲ 生命科學(xué)--操控，動(dòng)力學(xué)研究 解讀生命運(yùn)動(dòng)規(guī)律▲ 微納器件--操控，排布，組裝，表征 新材料和功能器件制造▲ 分散體系--微粒間相互作用 宏觀現(xiàn)象的微觀機(jī)理探索▲ 光力學(xué)教學(xué)—線性動(dòng)量，角動(dòng)量 認(rèn)知光的基本屬性,光鑷的應(yīng)用,光鑷的應(yīng)用,,光鑷的應(yīng)用研究,運(yùn)動(dòng)-----位移/速度， ----

26、-力，大小/方向， -----結(jié)合/分離 -----相互作用 特性-----結(jié)構(gòu)和功能 力學(xué)量是表征生命過程的重要參量！ 單分子水平上探索生命運(yùn)動(dòng)的規(guī)律！,生命過程—運(yùn)動(dòng)—力,光鑷應(yīng)用—生物大分子的動(dòng)力學(xué)研究,國際前沿發(fā)展趨勢(shì),,光鑷技術(shù)更多的是用于研究生物大分子 十幾年來已突破了許多“禁區(qū)”,人類首次實(shí)際測(cè)量到由化學(xué)能轉(zhuǎn)變

27、成機(jī)械能的原動(dòng)力—肌肉運(yùn)動(dòng)的原始動(dòng)力過程,驅(qū)動(dòng)蛋白分子吸收一個(gè)ATP能量后的分布運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)步長為8納米。,國際研究成果舉例,《Nature》 刊登報(bào)道：生物大分子 精細(xì)操作,雙光鑷對(duì)肌動(dòng)蛋白進(jìn)行打結(jié),國際研究成果舉例,《Science》刊登報(bào)道：光鑷控制粘有肌動(dòng)蛋白的小球接觸微管,研究其運(yùn)動(dòng)特性.,光鑷研究DNA折疊動(dòng)力學(xué)過程 研究,光鑷已成為研究DNA動(dòng)力學(xué)的不可或缺的工具,國際研究成果舉例,光鑷研究DNA的縮合及解開,光

28、鑷已成為研究DNA動(dòng)力學(xué)的不可或缺的工具,國際研究成果舉例,光鑷牽拉血紅細(xì)胞膜/形狀由橢圓變成橄欖型,光鑷研究細(xì)胞膜實(shí)驗(yàn)方法,細(xì)胞膜彈性的測(cè)量,煙草細(xì)胞原生質(zhì)體的融合,單細(xì)胞融合,光鑷操控單細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)方法,,光鑷分選單條染色體,條染色體群,水稻細(xì)胞,細(xì)胞殘核,熒光標(biāo)記,完整的細(xì)胞在脈沖激光的作用下被打碎，染色體（右下圖中發(fā)亮的短棒）從細(xì)胞中被釋放出來,,光鑷分選單條染色體,染色體在光鑷的拖動(dòng)下從細(xì)胞碎片中脫離出來，并被移至空曠的環(huán)境

29、，然后用空心玻璃微管收集（微管尖端直徑2μm）,,——微米粒子穩(wěn)定的空間排布,48個(gè)2微米聚苯乙烯小球組合而成,平面構(gòu)圖,側(cè)面觀察，由四個(gè)小球壘成支撐柱。,光鑷操控單粒子,立體構(gòu)建,分散體系中微粒的聚集通常都是隨機(jī)的。用逐個(gè)操控單個(gè)粒子的方法。按設(shè)定要求排布出具有穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)的粒子聚集體。,光鑷在三維空間排布微粒,納微器件，微機(jī)械，生物器件的組裝和表征,光鑷捕獲聚苯乙烯小球，小球直徑約50μm,我們的工作,光鑷捕獲、三位操縱酵母菌

30、細(xì)胞,我們的工作,光鑷捕獲酵母細(xì)胞（使用40X物鏡）,光鑷捕獲、三維操控血紅細(xì)胞,我們的工作,光鑷捕獲血紅細(xì)胞（使用25X物鏡）,毛細(xì)管中移動(dòng)酵母菌細(xì)胞,我們的工作,在直徑50微米的毛細(xì)管中移動(dòng)酵母菌細(xì)胞,光鑷技術(shù)是典型的交叉學(xué)科技術(shù)，包括物理學(xué)、生物物理、生物工程、生物醫(yī)學(xué)、光信息、光電子、測(cè)控、微電子機(jī)械系統(tǒng)等學(xué)科、學(xué)科交叉是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要特征和動(dòng)力源。 光的力學(xué)效應(yīng)是正走向蓬勃發(fā)展的學(xué)科，將有一個(gè)很長的歷史時(shí)期。