光镊技术在原子物理和生命科学中的应用与发展分析研究 信息工程专业VIP专享VIP免费

光镊技术在原子物理和生命科学中的应用与发展[摘要]激光陷阱和控制、操作中性微小粒子的光镊技术是以光的辐射压原理为基础的，利用光与物质间动量的传递的力学效应形成三维梯度光学陷阱。光压的实际应用在20世纪激光诞生后才得以实现。由于激光突出的高方向性、高相干性高亮度产生的辐射压高于一般的光，所以使得基于光压原理的光镊能够被发现并运用。光镊能够捕获和操纵微米尺度粒子成为捕获操纵粒子独特且有效的手段，并且这种方法在物理和生物科学等领域掀起了一场技术革命。本文简要回顾了早期光镊技术在原子物理和生命科学中的应用与发展，以及当代光镊技术研究的最新成就。[关键词]激光陷阱，光镊，激光1．引言光镊是基于光的力学效应的一种新的物理工具，它如同一把无形的机械镊子，可实现对活细胞及细胞器的无损伤的捕获与操作。光镊的发明正适应了生命科学深入到细胞、亚细胞层次的研究趋势，也为生物工程技术提供了一种新的手段。仅仅20年光镊的应用已展示其在物理和生命科学领域中无限美好的应用前景2.光镊技术原理2.1光压原理光镊技术是基于光压原理的，光压原理在牛顿和开普勒时期就已经提出来了但是一直都没有什么应用。光的压力原理早期只有在天文学中有些应用，德国的天文学家开普勒，在17世纪初提出彗尾之所以背向太阳的原因是，其受到了太阳辐射光压的作用力。因为只有在天文学研究中当光的强度和距离都非常大的时候光压对物质的影响才会明显的表现出来。1873年Maxwell从光的波动理论角度根据电磁理论推导出了光压的存在（电磁辐射压）并且给出了垂直入射到部分反射吸收体表面的光束的光压为：其中,E为每秒钟垂直入射到1上的能量，c为光速，R为物体对光的反射系数。由计算式可以粗略的看出光压与光的动量有关。从量子理论角度分析，我们可以认为光是由光子组成的，每个光子的能量为，动量为，我们只能认为光压是光子将它的能量、动量传递给物体的吸收面或者反射的结果。实际上当光与物质发生作用的时候，能量的交换引起热效应，使物质产生热膨胀、组织蒸发等现象，一般也伴随一些续发的压力效应，这是次生性的所以我们一般不考虑，也就是说我们认为光压是由光与物质之间的动量的传递而引起的。如果有单色光正入射到颗粒上，设有N个光子，则它们的能量和动量分别为,N个光子传递给吸收壁的动量为,传给反射的动量为（设入射方向为正方向），这样我们假定物质的反射系数为R,于是有N个光子传的动量为，显然这与Maxwell的电磁推导结论一致。人们在日常的生活中也能体会到光压的存在，比如有些人在晚上睡觉的时候如果有灯开着的话，他们的眼睛会感到有种无形的压力，使得他们很难入睡。但是这个力非常的小，人们很难对其进行有效的研究和利用。由上面推导的理论可以估算当太阳垂直照射大地，若完全被吸收时，所产生的光压仅约为0.6达因/，所以一般的照明灯的光压就更小了。直到20世纪60年代激光出现后，人们能够利用它强大的光压实现激光陷阱，利用激光陷阱可以加速、减速、改变、操纵甚至可以稳定的俘获粒子。2.2光镊技术早在1968年，源于对原子操作的需要，苏联光谱学家Letokhov首先提出利用光场梯度力来限制原子的思想，但他并没有研究出什么实质性成果。后来美国bell实验室的A.Ashkin1969年开始关于光与粒子相互作用的研究，并于1978年A.Ashkin提出了首个单光束梯度力陷阱的方案。在此之前早期的光学陷阱要么是由多光束会聚在一点实现，要么就是由与激光传播方向相反的力与激光共同作用实现的。1986年A.Ashkin将单束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱就此发明了激光光镊术。用几何光学模型(R-O模型)近似，光阱中微粒受到梯度力、散射力和合力用下面的关系式表示：，，其中为有效折射率，无量纲因子表示各力随光功率变化的比例系数，与微粒的几何外形和微粒在光阱中的位置有关。要提高光阱的利用率就要提高，降低，从而提高。激光光镊术(opticaltweezers或lasertraps)早期也叫激光捕获术,即利用聚焦的激光束镊操纵细胞、细菌或原子等大约尺度在几纳米到几十微米之间的微小粒子的一项全新的物理技术。激光光镊技术可运用的粒子非常的多，有：原子、大的分子、...