《光鑷原理淺析》PPT課件

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1、光鑷原理淺析2011.06.23光鑷原理淺析光勢(shì)阱光輻射壓力（光壓）光鑷(單光束梯度力光阱)基本原理光鑷系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)光鑷的應(yīng)用幾何光學(xué)機(jī)制D>>λ中間機(jī)制瑞利機(jī)制D<<λ光阱勢(shì)阱：粒子在某力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，勢(shì)能函數(shù)曲線在空間的某一有限范圍內(nèi)勢(shì)能最小，形如陷阱，稱為勢(shì)阱。光阱周邊的粒子以大的加速度墜入阱中被囚禁光陷阱效應(yīng)光輻射壓力光的基本屬性——能量和動(dòng)量P=E/C光與物質(zhì)相互作用伴隨著動(dòng)量的交換,從而表現(xiàn)為光對(duì)物體力的作用力（F=P/t）。由于光輻射對(duì)物體產(chǎn)生的力常常表現(xiàn)為壓力，因而通常稱之為輻射壓力或簡(jiǎn)稱光壓。然而，在特定的

2、光場(chǎng)分布下，光對(duì)物體也可產(chǎn)生一拉力，即形成束縛粒子的勢(shì)阱。光鑷的定義光鑷又稱單光束粒子阱，是基于散射力和輻射壓梯度力相互作用而形成的能夠網(wǎng)羅住米氏和瑞利散射范圍粒子的勢(shì)阱。簡(jiǎn)單來(lái)講，就是用一束高度匯聚的激光形成的三維梯度勢(shì)阱來(lái)俘獲、操縱控制微小粒子的技術(shù)。光的作用力以透明介電體小球作模型來(lái)討論光與物體的相互作用b0b1Fb梯度力Fg小球直徑遠(yuǎn)大于光波，采用幾何近似散射力單光束粒子阱的幾何光學(xué)原理圖Diagramshowtherayopticsofsingle-beamgradientforcetrap對(duì)于直徑大于波長(zhǎng)的米

3、氏散射粒子光鑷的基本原理米氏散射光鑷的基本原理瑞利散射對(duì)于直徑小于波長(zhǎng)的瑞利散射粒子適用于波動(dòng)光學(xué)理論和電磁模型。波動(dòng)光學(xué)理論(也是光鑷的基本理論)認(rèn)為,在光軸方向有一對(duì)作用力:與入射光同向正比于光強(qiáng)的散射力Fscat光強(qiáng)梯度同向正比與強(qiáng)度梯度的梯度力Fgrad。光鑷的基本原理瑞利散射對(duì)于直徑小于波長(zhǎng)的瑞利散射粒子在折射率為nm的介質(zhì)中,折射率為np的瑞利粒子所受的背離點(diǎn)的散射力為（m=np/nm）對(duì)于極化率為α的球形瑞利粒子所受的指向焦點(diǎn)的梯度力為光鑷的基本原理瑞利散射對(duì)于直徑小于波長(zhǎng)的瑞利散射粒子這樣,在焦點(diǎn)處形成勢(shì)

4、阱的標(biāo)準(zhǔn)為指向焦點(diǎn)的梯度力與背離焦點(diǎn)的散射力之比大于1,即兩者的合力指向焦點(diǎn),即有光鑷的基本原理瑞利散射對(duì)于直徑小于波長(zhǎng)的瑞利散射粒子若粒子小球在橫向(垂直于光軸方向)偏離中心位置,也會(huì)受到一個(gè)指向光束中心的作用力使小球鎖在焦點(diǎn)處。該力與光阱效率、光功率成正比。即有F=QnmP/c故小球所受光阱恢復(fù)力在小球半徑范圍內(nèi)大致正比于小球位移,即有F=-kx其中,x為小球的位移;k為光阱的剛度。光阱效率與小球位移的理論關(guān)系曲線Theoreticalcurveofgradienttrapefficiencywithdisplace

5、ment米氏散射瑞利散射可見,粒子小球在光束焦點(diǎn)附近所受的力均指向光束焦點(diǎn),由此可揭示在高度匯聚的光束焦點(diǎn)處存在指向焦點(diǎn)的勢(shì)阱。中間機(jī)制光鑷系統(tǒng)實(shí)物光鑷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Typicalmodernopticaltweezerssetup光鑷系統(tǒng)的構(gòu)成四象限光電探測(cè)器D-雙色分光鏡(dichoidfilter)S-活動(dòng)樣品池(specimencell)S光鑷可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物活體細(xì)胞的亞接觸和無(wú)損傷的捕獲和操縱可以直接控制小到數(shù)十nm的粒子目前較通用的方法是分子間接操縱法使用μm小球間接操控肌凝蛋白、肌動(dòng)蛋白的示意圖Fig.Dia

6、gramillustratingtheuseofmicrometerbeadstomanipulateactinandmyosinmolecules光鑷技術(shù)的應(yīng)用Anexampletraceofasinglekinesinmotortaking8nmstepsagainsta5-pNforceisshowninFig.光鑷技術(shù)的應(yīng)用微粒的捕獲與操控對(duì)粒子的操控：捕獲粒子，移動(dòng)樣品池紅細(xì)胞的捕獲微粒的捕獲與操控說(shuō)明：實(shí)驗(yàn)中固定光束（即光鑷不動(dòng)），移動(dòng)樣品臺(tái)（池）。光阱橫向（沿X-Y平面）操控微粒（圖中箭頭表示背景相對(duì)于光鑷

7、的運(yùn)動(dòng)方向）光阱縱向操控微粒（右圖中背景清晰度與左圖的不同）光鑷操控單粒子微米粒子穩(wěn)定的空間排布48個(gè)2微米聚苯乙烯小球組合而成側(cè)面觀察，由四個(gè)小球壘成支撐柱水稻單條染色體分選首次分選單條染色體/中科大國(guó)際研究成果舉例DNA分子（2納米直徑）的扭轉(zhuǎn)、打結(jié)/日、美Nature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)。如右圖所示分子操作達(dá)到相當(dāng)高的水平為細(xì)胞內(nèi)蛋白纖維相互作用等分子力學(xué)的研究開辟了新途徑。用于縫合細(xì)胞或神經(jīng)的細(xì)微手術(shù)。感謝您的聆聽！