光力学效应-光镊原理与应用--《大学物理》系列讲座.ppt

光的力学效应—光镊原理及应用1.光的力学效应机理2.光辐射压力——光压3.激光的力学效应（微观,介观,宏观）4.光镊——光的力学效应的典型5.光镊原理及应用光的力学效应？光有力量吗？光的效应:在光的作用下，物体在宏观上产生的各种现象。光的热学效应:光与物体相互作用时物体的温度发生变化.—常见现象光的力学效应:光与物质间交换动量，使受光照射的物体获得一个力或力矩，物体发生位移、速度和角度的变化.—难以察觉(光电效应,磁光效应,光化学效应,康普顿效应……)光有波粒二向性——光既有波动性又有粒子性。光的粒子性——光束可以看作是由一系列光子流组成。每个光子携带有能量和动量（线性动量和角动量）,光子能量：光子动量：光与物体相互作用时彼此交换能量和动量.2.光辐射压力—光压2.光辐射压力—光压单个光子动量很小:普通光源的力学效应微乎其微！光子密度低，方向性差！实验观测和测量极其困难！为什么我们感受不到光的压力？——因为普通光压太小激光的特点：方向性好，高亮度例如：10mw的He-Ne激光，亮度是太阳的一万倍！对于一台光强呈高斯型分布，功率为10mw的氦氖激光器发射的激光束，若光束发散角为2´，把激光聚焦到光学衍射极限光斑(约10-8cm)，其单位面积的光功率密度将是太阳光的108倍，把一个1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106达因的辐射压力，从而产生105g的加速度(g为重力加速度)。从此，光的力学效应研究进入了一个全新的时代！激光与普通灯光的比较▲激光与微观粒子的相互作用---原子/分子nm级别▲激光与微小宏观(介观)粒子的相互作用---纳米/微米粒子μm级别▲激光与宏观物体的相互作用mm以上级别---激光加工/核聚变/激光武器原子的激光冷却和捕陷S.朱棣文，C.C.达诺基，W.D.菲利浦斯1997年诺贝尔物理学奖六束各向同性激光辐射与具有热速度分布原子气体冷却激光扫频法：(FrequencyChirping)基本思想是让冷却激光的频率连续跟随原子多普勒频移的变化，持续保持共振。1985年，朱棣文用两种不同的方法(二维光学势阱和磁光量子阱)实现原子冷却，温度冷却到2.4×10-4开尔文(K)。1986年光镊的出现，才真正实现原子的三维捕获（10-4K）激光的宏观力学效应激光加工激光加工Laserfusion激光核聚变上海光机所神光Ⅱ号装置反卫星激光武器发射的激光束，辐射强度高，能在空间、时间上，将能量高度集中，具有杀伤破坏作用。它的主要杀伤作用是热效应，即利用高温烧毁或重创太空中的军用卫星。激光束也有一定的冲击效应，使卫星上的零部件损坏或者偏离轨道。光镊——单光束梯度力光阱1986A.Ashkin使用高度会聚激光束产生了非均匀光场，造成梯度力势阱第一台光镊仪器诞生了！ArthurAshkin在贝尔实验室中光镊--Opticaltweezers▲用光做的镊子？光镊如何抓取物体？▲光镊基本原理▲光镊力有多大？▲光镊的力学效应的应用光镊的基本原理—散射力二维光学势阱二维光学势阱---光悬浮二维光学势阱—光夹持—双光束捕陷单光束梯度力阱—三维光学势阱—光镊单光束梯度力阱—光镊光镊操控微粒的现象尤如宇宙黑洞或吸尘器将微粒吸入无底的深渊。阱域、阱深和阱力对于微小的粒子/细胞,几十纳米-几十微米，光的力学效应还是非常大的。可以明显看到光阱周边的粒子以很快的速度/加速度坠入阱中被囚禁，操控的速度相当的快。一是光强分布具有大的梯度，高度聚焦的激光束形成的激光微束就具有大的强度梯度，这样才能产生足够的梯度力来捕获住微粒。二是粒子的折射率大于周围介质的折射率，这时因为如果，光线穿过粒子时粒子将被从光场强度高的地方推向光场强度低的地方，粒子将被推离光场。在满足上述的基本条件后，微粒能否被稳定地捕获住还涉及物理与生物粒子方面的性质。如激光微束的光波长、激光功率、束腰半径、生物微粒的大小、球半径，极化状态光会聚角、吸收系数和粒子与周围介质的相对折射率，以及球心与光轴的距离和球心与束腰的距离等等。。光镊原理光镊原理光镊原理光镊原理光镊原理光镊原理光镊原理光镊原理光镊操纵微粒的尺度：纳米-微米fN（10-15N）-pN（10-12N）1fN/人X60亿--1根发丝---细胞，单分子间的相互作用力传递微小力的使者--微小力的探针！光镊---一种特殊的光场形成的光学势阱，它是用光形成的镊子!光镊具有机械镊子抓取物体的功能，是类比机械镊子形象称呼。光镊/光学镊子/光学势阱/三维光学势阱/单光束梯度力势阱研究个体行为的工具！！！自然界，一切宏观现象都是大量个体行为的群体效应，而光镊能够实施对单个微粒(细胞或大分子)的操控。(1)对单个活体生物以非接触的遥控方式，实施无损无菌操控；实时动态跟踪、进行微小力的测量。(2)光镊可以穿过透明封闭系统的表层（细