《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)機制D>>λ中間機制瑞利機制D<<λ光阱勢阱：粒子在某力場中運動，勢能函數(shù)曲線在空間的某一有限范圍內(nèi)勢能最小，形如陷阱，稱為勢阱。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——能量和動量P=E/C光與物質(zhì)相互作用伴隨著動量的交換,從而表現(xiàn)為光對物體力的作用力（F=P/t）。由于光輻射對物體產(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稱光壓。然而，在特定的

2、光場分布下，光對物體也可產(chǎn)生一拉力，即形成束縛粒子的勢阱。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阱。簡單來講，就是用一束高度匯聚的激光形成的三維梯度勢阱來俘獲、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討論光與物體的相互作用b0b1Fb梯度力Fg小球直徑遠大于光波，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對于直徑大于波長的米

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于直徑小于波長的瑞利散射粒子適用于波動光學(xué)理論和電磁模型。波動光學(xué)理論(也是光鑷的基本理論)認為,在光軸方向有一對作用力:與入射光同向正比于光強的散射力Fscat光強梯度同向正比與強度梯度的梯度力Fgrad。光鑷的基本原理瑞利散射對于直徑小于波長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的散射力為（m=np/nm）對于極化率為α的球形瑞利粒子所受的指向焦點的梯度力為光鑷的基本原理瑞利散射對于直徑小于波長的瑞利散射粒子這樣,在焦點處形成勢

4、阱的標準為指向焦點的梯度力與背離焦點的散射力之比大于1,即兩者的合力指向焦點,即有光鑷的基本原理瑞利散射對于直徑小于波長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,也會受到一個指向光束中心的作用力使小球鎖在焦點處。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附近所受的力均指向光束焦點,由此可揭示在高度匯聚的光束焦點處存在指向焦點的勢阱。中間機制光鑷系統(tǒng)實物光鑷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Typicalmodernopticaltweezerssetup光鑷系統(tǒng)的構(gòu)成四象限光電探測器D-雙色分光鏡(dichoidfilter)S-活動樣品池(specimencell)S光鑷可以實現(xiàn)對生物活體細胞的亞接觸和無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粒子的操控：捕獲粒子，移動樣品池紅細胞的捕獲微粒的捕獲與操控說明：實驗中固定光束（即光鑷不動），移動樣品臺（池）。光阱橫向（沿X-Y平面）操控微粒（圖中箭頭表示背景相對于光鑷

7、的運動方向）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2微米聚苯乙烯小球組合而成側(cè)面觀察，由四個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生物大分子精細操作雙光鑷對肌動蛋白進行打結(jié)。如右圖所示分子操作達到相當高的水平為細胞內(nèi)蛋白纖維相互作用等分子力學(xué)的研究開辟了新途徑。用于縫合細胞或神經(jīng)的細微手術(shù)。感謝您的聆聽！