-7光镊原理与应用.pdf

光镊原理与应用光镊原理与应用

OpticalOpticalTweezers:Tweezers:TheoryTheoryandandApplicationsApplications

刘志海刘志海
提纲提纲

1.1.光辐射压力光辐射压力
2.2.光镊原理光镊原理
3.3.多种形式的光镊系统多种形式的光镊系统
4.4.光镊的应用光镊的应用
提纲提纲

1.1.光辐射压力光辐射压力
2.2.光镊原理光镊原理
3.3.多种形式的光镊系统多种形式的光镊系统
4.4.光镊的应用光镊的应用
1.1.光辐射压力光辐射压力

„17世纪，德国天文学家
开普勒就猜想彗星的尾
巴背向太阳是因为受到
太阳的辐射力。
1.1.光辐射压力光辐射压力

JCMaxwell:“Inamediuminwhichwavesare
propagatedthereisapressureinthedirection
normaltothewave,andnumericallyequaltothe
energycontainedinunitofvolume”
(1873)

PNLebedevwasthefirst(1901)tomeasurethepressure
oflight,confirmingpredictionsbasedonMaxwell’sequations.
Hewasalsothefirsttoshowthatthispressureistwice
asgreatforreflectingsurfacesasforabsorbingsurfaces.
ArthurArthurAshkinAshkin

A.Ashkin,J.M.Dziedzic,J.E.BjorkholmandS.Chu.1986.
"ObservationofaSingle-BeamGradientForceOpticalTrapforDielectric
Particles."
Opt.Lett.11(5)288-290.
朱棣文朱棣文
1.1.光辐射压力光辐射压力

光是由光子组成的，光压也可以看成是光子流产生的压
强。光携带的能量U与动量P之间有一简单关系，即沿
一定方向传播的光，其动量大小为P=U/c(c是光速)，方
向为沿光传播方向。一束平行光照射到粒子上时，其动量
变化为ΔP，历经时间为t秒，由动量守恒原理，则粒子
得到的动量为-ΔP。根据牛顿第二定律，作用在粒子上
的力就等于光引起的单位时间内粒子动量的变化。由此可
得光作用在粒子上的力为F=ΔPt。如果光束作用面积为
S，则单位面积上受到的力即为光压p=FS。
1.1.光辐射压力光辐射压力

2Insin2φn2(−2n)(sinφ2+cos2φ')
F=P112
PZ2''2
φφ(sincn2φcosφ+sinφφcos)
n1
Y2Isinnφ2cosnφ2−(n2)
F=s112
n2SZ2'''2
(sincn2φcosφ+sinφφcos)
φ'
Z
1.1.光辐射压力光辐射压力

据估算，当太阳光垂直入射时，地球表面的光压据估算，当太阳光垂直入射时，地球表面的光压
约为：约为：pp==0.50.5达因达因//平方米（达因：质量平方米（达因：质量
为为11克的物体产生克的物体产生11厘米厘米//秒秒22的加速度所需要的的加速度所需要的
力，力，0.000010.00001牛顿）牛顿）

对于一台光强呈高斯型分布，功率为对于一台光强呈高斯型分布，功率为10mw10mw的氦氖的氦氖
激光器发射的激光束，若光束发散角为激光器发射的激光束，若光束发散角为22´´，把激，把激
光聚焦到光学衍射极限光斑光聚焦到光学衍射极限光斑((约约1010-8cm)cm)，其单位，其单位
面积的光功率密度将是太阳光的面积的光功率密度将是太阳光的10108倍，把一个倍，把一个
微米量级的电介质小球置于此氦氖激光聚焦点微米量级的电介质小球置于此氦氖激光聚焦点
处，小球将会受到处，小球将会受到10106达因的辐射压力，从而产达因的辐射压力，从而产
生生10105gg的加速度的加速度((gg为重力加速度为重力加速度))。。
提纲提纲

1.1.光辐射压力光辐射压力
2.2.光镊原理光镊原理
3.3.多种形式的光镊系统多种形式的光镊系统
4.4.光镊的应用光镊的应用
2.2.光镊原理光镊原理入射光

出射光

入射光

光动量改变方向
球受力方向
I.Newton:“Foreveryactionforce,
thereisacorrespondingreactionforce
whichisequalinmagnitudeandopposite出射光
indirection”.

球推动光向左偏移