光学工程_光镊技术

1光镊技术陈荣2010.10E-mail:[e-mail]:871602522主要内容引言研究进展光镊基本原理光镊实验装置应用成果与展望3光镊技术(OpticalTweezers或LaserTraps)早期也叫激光捕获术，即利用聚焦的激光束镊起并操纵细胞、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技术。引言4光镊----光学镊子，顾名思义它是一种利用光物理性质实现的工具，它应具有传统的机械镊子或钳子可狭持、操纵微小物体的功能，故成为光镊或光钳。引言5激光束聚焦至直径1um激光光镊对酵母细胞的捕获和操作控制曝光时间在样品上记录下直径变化的点6传统的机械镊子必须用其前端接触到物体，再施加一定的压力，物体才能被镊住，而后进行翻转，迁移等操纵。而光镊则大不相同，①它使物体受到光的束缚而达到“镊”的目的，然后通过移动光束来迁移或翻转物体②与机械镊子相比，它是一种温和的、非机械接触的方式来夹持和操作物体③尤为重要，在以光镊的光为中心的一定区域内，物体一旦落入这个区域就有自动移向几何中心的可能，尤如微粒被吸光器吸入，或一个飞行物体坠入宇宙黑洞样，光镊具有“引力”效应。同时光镊又象一个陷阱。引言7同时，“光镊”实际上是以宏观机械镊子对光的势阱效应的一种形象和通俗的描绘。对“光镊”的物理性质，人们采用“光学势垒”“光捕获阱”“光梯度力阱”或“光字势阱”等物理术语予以描述。引言8研究进展1970年贝尔实验室的阿什金就利用多光束激光的三维势阱成功镊起并移动水溶液中的小玻璃珠，之后这一激光镊起微粒的技术得到不断改进，所能捕获的粒子越来越小;1985年阿什金开始采用单光束镊起细菌及病毒等微小生物体;91987年首先使用514.5nmAr+成功镊起病毒,紧接着利用1064nmNd:YAG。但由于活性体对可视波段激光的吸收作用，早期搬运细菌的过程中存在对活细胞损伤的问题;后来阿什金发现对于大多数生物细胞和有机体来说红外光是相对透明的，从而采用800—950nm的红外激光配合一定的功率操作可不对细胞组织造成损害，之后这一技术在生物领域得到快速发展。10三、光镊基本原理3.1光的动量与光辐射压力（光压）光的动量是光的基本属性之一光不但具有能量而且有动量光子光与物质相互作用交换能量动量的传递力，光压hhphkc11根据牛顿第二定律，作用在物体上的力F等于光引起的单位时间内物体动量的变化：这意味着光对被照物体施加一个力的作用，这种由于光辐射对物体产生的力通常称之为光的辐射压力或光压。dppFdtt.,dppmvmvmaFdt12如果光束的作用面积为S，则单位面积上的光压强为。可以估算出，太阳光垂直照射时，地球表面的光压为：W=0.5达因/m2，这个量很小。但由于激光的高亮度、高方向性，发散角为毫弧度。10mWHe-Ne激光，辐射亮度为太阳光的1万倍，与原子弹爆炸时亮度相当。再将其聚焦到衍射极限光斑，（）时，其压强为W=106达因/m2从而可产生108cm/s2=105g的加速度。对于微米数量级的小球来说，这个力非常大，每个光子的动量虽小，但在聚焦后形成的高密度能流下，其力量非常大，此为光摄的能源所在。m13应当注意的是，如此高的能量密度集中于小球上，当几毫瓦的激光聚焦成1的衍射极限光斑，会聚于大小的小球上。当小球与外界绝热时，即使有千分之一的入射能量（微瓦数量级），被小球吸收，这微瓦的能量也会使小球温度在毫秒时间内超过沸点，而被蒸发。然而，光镊作用下的小球都是浸入液体中的，球被液体冷却。这时热传导方程与扩散方程形式相同，水中小球温度变化为：mm14r：小球半径，K：水中传导率，W：小球获得的功率。经计算，上述同样的功率（微瓦）下，小球的温升只有1℃，可以承受。还应当注意，光摄利用的是光线在小球上的折射效应，而不是吸收效应。这在下面的受力分析中进一步明确。而这里要说明的是光子确实可以对小球形成压力。3/8TWkr15三、光镊基本原理3.2梯度力上面所讲的是光子对小球的压力，该压力方向沿光传播方向，这里尚未说明它形成光镊作用。那么我们先来观察处在均匀与非均匀光场中的小球的受力情况。见图1。16图1梯度力的形成17图1中假设小球是透明体，这是符合实际情况的。因为大部分生物细胞的组成是水分子，特别是对脱了壁的原生质体，近乎是透明的球状体。这里还假设小球的折射率大于周围媒质的折射率,这也是符合大多数情况的。18根据动量守恒原理，它（光线a）必须要给小球施加一个向左方向的动量，即光线a在小球内折射的结果，使小球受到一个向左的力。同理，可以分析，由于光线b的折射，小球受到一个向右的力，在均匀场中，两力等值，其合力⊥（垂直）向下。19对于图1A中的均匀光场来说，光线a,b进入小球发生折射，既2次折射，这里这是折射占主要的量。从图中可知，比如对于光线a，它向右方折射。因为光线是带有动量的，它的方向是沿着光传播的方向，可知光线a最终向右方折射，它的动量由上向下，改变为向右方，这是因为小球的折射率造成的，20显然对于反射光也可以进行类似的分析。光线a的反射光，使小球受到向右的力，两发射光的合力是垂直向上的，即与两折射光的效果相反。但反射光的量小，不起主要作用。同理，对于图1B中的非均匀光场，受力分析的结果是，小球所受到的向左、向右的力并不互相抵消，总的合力把小球推向光较亮的那一个方向，图1B是把小球推到右下方。这种由于光场强度不均匀产生的力，称之为梯度力。（由于光场大小存在梯度而产生的力）。21进一步将该结论推广到更一般的光场强度分布，特别是存在强度最大点，即光会聚点附近时，在该区域中的粒子将受到一个指向最亮点的力。即对于粒子来说，不仅有推力，还有拉力。粒子将被束缚在最亮点。注意，上述前提是小球折射率大于周围介质的折射率，反之，受力将相反，即光场将粒子推向最暗点。22三、光镊基本原理3.3二维光学势阱由TEM00基模高斯光束所形成的非均匀光场，是从光束中心向两侧呈梯度分布（高斯分布），在这一高斯分布的非均匀光场中的小球，将受到一个元对称的，中心最强，两侧逐渐减弱的梯度力作用，小球将被约束在基模高斯光束的中心轴线附近。23三、光镊基本原理3.3二维光学势阱小球在垂直于光线传播方向的横向平面上，受到光束缚，被推向光最强处，非均匀光场形成了一个二维光学势阱，此为二维的光钳。高斯光束可形成二维势阱，二维势阱在某些情况下可以用于捕获粒子。24由于高斯光束的激光能量在平面是高斯分布，因而即可形成一个强的二维光学势阱。小球在高斯光束条件下，受到一个指向光轴的力，即将小球束缚在光轴上。但小球在光轴上下方向，并未受到大的力。因此，小球可以在Z轴上下自由运动。当然小球还受到向下的重力。25利用二维光学势阱可用于捕获粒子：图3（几个例子）26图3A，利用粒子受沿光束传播方向的光压与粒子自身的重力相平衡，粒子被悬浮于某一高度。（注意光压向上，即激光从下往上照）图3B，利用器皿平衡粒子所受沿Z方向的光压，而固定粒子。图3C，选用两束相向传播的，完全相同的激光形成双光束激光势阱束缚粒子。27二维势阱，由于在光束传播方向才能束缚粒子，并且系统较复杂，效果不理想。美国贝尔实验室的A.Ashkin利用强聚焦单光束激光势阱较理想地解决了这一问题。28三、光镊基本原理3.4单光束梯度力光阱二维光学势阱实现了对粒子在⊥（垂直）于光传播方向上的平面内的束缚，但在光传播的Z方向，粒子一般地受向下的合力和重力（向下），因而在光轴方向仍是不稳定的。如果光阱在光传播方向上也能产生对粒子的束缚，则可以形成一个三维的势阱，从而粒子能在光轴上的某一个位置达到平衡。1986年，美国贝尔实验室A.Ashkin利用一束强聚焦激光实现这一目的。29图4三维光学势阱30图4强聚焦激光高斯光场中粒子受力图。图4A中，折射光线a、b趋向更平行于光轴（比原光线），即折射后动量的改变量合成是向下的，因为动量守恒，粒子应当受到一个向上的合力。小球被拉向焦点方向。31图4强聚焦激光高斯光场中粒子受力图。图4B中，粒子处于焦点之内（粒子中心0在焦点之内），此时折射光线a、b与原光线相比，更偏离于光轴，此时折射光线a、b动量的改变的合成应当向上，因为动量守恒，粒子应当受到一个向下的力。即粒子受到一个推力，被推向焦点方向。粒子最终在光轴的某一个平衡位置上静止。32实际上，图4A中，光照在粒子上还有不少散射，散射光的合成动量向上，则粒子受到向下的力，散射力将粒子向光传播方向推。但散射力小于折射光线产生的力。对图4B也可作类似分析。总之，粒子所受的轴向梯度力在Z轴方向上可能是拉力，也可能是推力。使粒子处于平衡位置。当然粒子如果不处在平面的平衡位置，还可能被拉（推）向平面的光轴位置。33三、光镊基本原理3.5阱力与束缚条件①影响光阱的因素a)主要因素：如果在某个方向上要限制粒子的运动，就必须使光在该方向上有大的光强梯度b)其它因素：粒子的物理、生物性质采用光的波长、功率、会聚后的束腰半径生物粒子大小、吸收系数粒子与液体的折射率球心与光轴的距离和球心与束腰的距离34三、光镊基本原理3.5阱力与束缚条件②Z方向的捕获力定性分析图5说明会聚高斯光束在传播方向Z，所受的力F(Z)与的关系。0/Zr35图5会聚的高斯光束（Z）方向上捕获力的分析图5说明会聚高斯光束在传播方向Z，所受的力F(Z)与的关系，图中为球中心到焦点的距离，是一个变量，而r为粒子的半径，是一个常量。曲线的坐标原点为束腰（或焦点）处在位置。0/Zr0Z36曲线在坐标上交于A、B两点是粒子受力的平衡位置。该平衡位置不处在焦点处，是因为粒子受到了散射力，散射力的方向是向上的，F(z)中包含了散射力，在A处，即时，（在焦点上端若干距离），F(z)=0，F(z)中的散射力（向上）与梯度力（向下）相抵消。图5的条件是：高斯光束聚焦于小于1微米，而粒子直径为几微米。0/Zr37对图5的讨论如下：a)曲线与水平轴的两交点（A、B）是粒子在Z轴的平衡点，F(z)=0，但两点的情况大不相同，对于A点，不论增加或减少均受到与移动方向相反的力（）、所以A点是粒子的稳定平衡点。而对B点，，即粒子只要偏离B点，就会受到向相同方向的力，而被推向更远，所以B点是非稳定平衡点。由此可见，单光束势阱在A点附近，（略高于焦点）00()()ZFzZFz00()()ZFzZFz38b)对应于不同的物理和生物条件，粒子所处的平衡位置不同，一般说来距焦点的距离与小球的半径相近c)在A点右侧近似无限高势垒，在A-B之间，粒子均会被推向A点。d)形成势垒的因素：光束束腰大小，波长，光功率密度，粒子折射率39三、光镊基本原理3.5阱力与束缚条件③阱力的计算和测量a)计算Roosen与Ashkin采用几何学分析TomQ等发展了新的动力学方法b)测量实验上测量捕获力的方法，是将粒子放在已知粘滞系数的液体中，用光钳拖动粒子，测出光钳克服粒子粘滞力的最大速度，也就是测量小球在光阱作用下通过媒质的临界粘滞力。40三、光镊基本原理3.5阱力与束缚条件③阱力的计算和测量该粘滞力由斯托克斯定律确定，粒子粘滞系数；r：粒子半径；v：运动速度，当用红外光作光阱光源时，小球受力的一个实验经验公式为：，：媒质折射率；W：光功率；C：光速，是光被小球完全吸收时，小球所受力。即小球受力是完全吸收表面受力的百份之三。6Frv0.03/tbFnwcbn/bnwc41三、光镊基本原理3.5阱力与束缚条件④粒子的大小与形状光钳可操纵的生物粒子都是在光学显微镜下工作，并能用光学显微镜观察生物粒子，其尺寸在微米量级（Mie氏粒子），其受力分析可采用几何学方法。而对于小于微米量级的粒子受力分析复杂，不属几何光学范围；详见《李银妹》书第六章译文。粒子的尺寸应当比高斯光束焦斑大。这样才处于高斯光束的梯度场中，受到梯度力的束缚，如果粒子尺寸小于光斑尺寸，则光线⊥（垂直）作用于粒子，而不是倾斜的照射，这时粒子受到推力，将被推出焦点之外。42三、光镊基本原