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《光鑷技術的發(fā)展概況》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、光鑷技術的發(fā)展姓名：趙文賢學號：SA14168167專業(yè)：檢測技術與自動化裝置目錄1引言22光鑷技術的原理42.1光鑷技術基礎42.2光的動量和光壓52.3新型光鑷光場的研究72.4應用中的相關理論93光鑷技術的應用11光鑷在生物細胞上的應用研究114光鑷技術的發(fā)展現(xiàn)狀144.1研究論文的發(fā)展勢態(tài)144.2技術專利的情況分析14參考文獻15171引言光具有能量和動量，經(jīng)典光學主要以電磁輻射本身為研究對象。而近代光學的發(fā)展則是以光與物質(zhì)相互作用為重要的研究內(nèi)容。20世紀60年代激光的發(fā)明，為人們研究光與物質(zhì)相互作用提供了一種嶄新的光源，其
2、中高簡并度的激光使得光鑷技術得以問世。光鑷技術是美國科學家于1986年發(fā)明的。光鑷又稱為單光束梯度光阱。簡單的說．就是用一束高度匯聚的激光形成的三維陷阱來俘獲，操縱控制微小粒子。自誕生以來，光鑷技術已經(jīng)在微米尺度量級粒子的操縱控制，粒子間的相互作用等方面的研究中發(fā)揮了重要作用。1969年，Ashkin通過理論計算認為聚焦的激光能推動尺寸為幾個微米的粒子，并實現(xiàn)了用聚焦的氬離子激光使懸浮在水中的透明膠粒(直徑0.6-2.5μm)沿著光軸方向加速推離。他發(fā)現(xiàn)接近光束的微粒也出乎意科地被吸入光束中推離。在通過用氣泡與液滴反復實驗后，Ashki
3、n認為光束對折射率比周圍介質(zhì)高的微粒具有橫向吸力，但對折射率比周圍介質(zhì)低的微粒具有橫向推力。1970年．Aahkin等首先提出能利用光壓(opticalpressure)操縱微小粒子的概念。一直到1986年，Ashkin才發(fā)現(xiàn)只需要一束高度聚焦的激光，就可以形成穩(wěn)定的能量阱能將微粒穩(wěn)定俘獲。這標志著光鑷的誕生，正因為如此．光鑷的正式名稱為單束光梯度力阱(single—beamopticalgradientforcetrap)。17由于激光聚集可形成光阱，微小物體受光壓而被束縛在光阱處，移動光束使微小物體隨光阱移動，借此可在顯微鏡下對微小
4、物體(如病毒、細菌以及細胞內(nèi)的細胞器及細胞組分等)進行的移位或手術操作。光鑷，又被稱為單光束梯度力光阱，日常，我們用來挾持物體的鑷子，都是有形物體，我們感覺到鑷子的存在，然后通過鑷子施加一定的力鉗住物體。捕獲微小粒子的光鑷是一個特別的光場，這個光場與物體相互作用時，物體整個受到光的作用從而達到被鉗的效果，然后可以通過移動光束來實現(xiàn)遷移物體的目的。如果以形成光場的中心劃定一個幾微米方圓的區(qū)域，你將會觀察到一旦光子涉足這個禁區(qū)就會自動迅速墜落光的中心，表現(xiàn)出這個光場具有地心引力的效應。如將被光鑷捕獲的粒子比做墜入碗底的玻璃珠，那么，光鑷又酷
5、似一個陷阱。這個特別的光場造就了一個勢能較低的區(qū)域（碗底），即從這區(qū)域內(nèi)到區(qū)域外存在一個勢壘（碗壁）。當物體的動能不足以克服勢壘時，粒子將始終停留在阱內(nèi)。雖然光與物體相互作用的過程我們是看不見的摸不著，其結(jié)果展現(xiàn)給我們的是，通過光鑷作用的物體是在按特定路線運行。光鑷搬運粒子的情形就酷是一個無形的機械手，這個看不見的機械手將按照您的意志形自如地控制目標粒子。172光鑷技術的原理光鑷技術的理論主要是利用各種計算方法研究聚焦光束與微粒的相互作用。首先是單光束梯度力阱與微粒的相互作用及其對微粒的控制；其次是新型光束聚焦后形成的光阱特性。2.1光
6、鑷技術基礎光鑷技術基于光輻射壓力與單光束梯度力光阱。光輻射壓力光照射物體時,由于電磁波具有能量,也有動量,所以,在物體表面形成反射和吸收,同時會對表面形成壓力作用,成為光壓（光輻射壓力）。通過激光的引進,使得光壓效應在現(xiàn)實應用中有了很大的作用,特別是科學研究中。梯度力光鑷是由強匯聚的激光束形成的光學勢阱，引入梯度力的概念，以透明介質(zhì)小球為例說明。如圖1所示，一個透明介質(zhì)小球處于一個高斯分17布的非均勻會聚光場中，小球的折射率大于周圍介質(zhì)的折射率。當會聚激光束照射到微粒上時，激光發(fā)生折射和反射，也包括一部分吸收。被微粒反射和吸收的光作用就
7、是光輻射壓力，或者稱散射力，其方向與光傳播方向一致，它趨向于使小球沿光束傳播方向運動。與此同時，光束經(jīng)過微粒會發(fā)生多次折射，有些會聚光線折射后傳播方向更趨向于光軸（即光束傳播方向），從而增大了軸向動量，因而給與微粒與光傳播方向相反的作用力，表現(xiàn)為拉力，這就是軸向梯度力的本質(zhì)，由于此拉力的作用，導致粒子在軸向可以穩(wěn)定在激光焦點附近。而微粒在橫向的偏離，由于光場的非均勻性，也會受到指向激光焦點的回復力，即橫向梯度力。在梯度力和散射力的共同作用下，微粒被穩(wěn)定束縛在激光焦點附近。這就是單光束梯度力光阱。圖12.2光的動量和光壓光的電磁理論，證明
8、了光作為電磁波，不但具有能量，而且具有動量（如圖2）。17圖2對于單色平面光波，設其電磁場能量密度為u，它以光速c傳播，相應的電磁能流密度矢量的大小為：S=uc，（方向指向光的傳播方向）而動量密度（單位體積
