激光微束操纵电介小球的实验研究

　　1光学陷阱的工作原理光波是屯磁波。光不仅携，着能量。而且也携带着动量，光与物质的相互作用包含着能量与动量的传递。在激光应用中就是利用了光与物质间的能量传递。光学陷阱的工作原理则是利用了光与物质间的动量传递。由于光具有动量，所以光对物体具有力的作用。光作用于物体时，将施加力到物体上，如果这个力是用来束缚物体不脱离光陷阱的力，就称之为捕陷力。

　　当光束穿过电介小球时，由几何光学可确定光线传播的方向。由于小球对光的反射折射和吸收作用，使光的动1发生了改变，从而对小球产生个作用力。根据动量守恒定律，可以求得作用力的大小和方向。下面通过电介小球对光的折射反射和吸收。分析光施加在小球射率为扣的介质中，且，拟。若折射前所有生改变，即光的动量发生了改变。由于动量守十旦，这些光施加给小球个与它们动量改变量等值但方向相反的动量，与之相应的有力与施加在小球上。苫小球处在均6光场中，则光束赐于小球的力在横向将完全抵消1.1小球处在非均匀圯场中，光若是自左向右增强的光场，其结果与左边的。，光线相比较方边较强的光线使小球获得较大的动量，从而产生了较大的力。由于光强分布不均匀，照射到小球上的所有光线的合效应任横方不能抵消，总的合力把小球推向，边偏下处。由于光场强度分布不均勾而产生的使小球受到个指向光最强处的力称作梯度这结论推广到更般的光场分布中，特，是存在强度最人点的情形。例如被透镜会聚子其折射率1大于周围介质的折射率2将受到个指向最亮点的力，这个力就是捕陷力从面的分析可知。小球在横向光压的作用下趋于光最强处，即小球在1平面内受到了光的束缚。当小球在横向偏离光轴时，小球将受到个指向光轴的回复力，小球将被束缚在轴上，由于此力口限制小球在垂直于光轴的平面内运动所以在沿光轴方向依然以自由运动，我们称此情形为维光阱。维光阱在某些条件1也可以用于捕获粒子。由于维光阱在光的传播方向上不能束纯粒子而导致捕获器要使光阱在光束传播方向上也能产生对粒子的束缚，必须有逆向光压用以抵消粒子受到2上某位置达到啊射，而实现完全的束纯。这种维梯度力势阱是存在的，1986年，人人31用束强聚激光实现了在17面内和2轴方向同时形成梯度力势阱。从而稳定地捕获粒。由于该光阱仅仅只用了束激光。所以称之为单光束梯度力光阱。

　　1隹光阱与维光阱的区别在于。入射到粒子上的光束是强会聚的，轴外光线具有定线进入小球后。通过小球对光的折射。出射光将偏离入射光的方向。从而改变了纵向动量。1于2方向的动量守恒，小球必产生相应的动量改变，则小球将受到推力或拉力。23，入，的高斯光束经过透镜。形成度会聚的光束作用于小球上，当轴外光线穿过小球后被折射，其传播方向趋于更平行于光轴，即增大了纵向动量，相应地，粒子获得了沿负2方向的动量。即小球受到的纵向力为拉力。光束1.1施加在小球1的力为。尸1光，被小球折射6产生逆轴向的力。其合力厂趋向于把小球拉向焦点。即光束对于中心，点处于焦点以下的粒子产生与光束传播方向相反的力。对中心，点处于焦点以上的粒子2化，光通过小球折射后，小球受到轴向力的作用，其方向与光束传播方向致。趋于把小球推向焦点。对于单光束梯度力光阱。处于焦点之前或之后的粒7都将受到个趋向于焦点的力。梯度力阱中任何横向义7平面的偏离都会导致因横向梯度力产生的回复力，任何纵向2的偏离都会实际上。当光入射到小球时。除了产生梯度力外。还有光被散射时产生的力。习惯称之为散射力。散射力的大小正比于光的辐射强度其作用使小球沿光束传播方向运动。而梯度力向。对于普通激光光源由于光束的发散。即使功率大。也不会产生明显的梯度力。只有把激光束会聚后才能产生明显的梯度力效应。用几何光学的方法分析光的力学作用，很容易得出这样个结论只有当小球的折射率大于周围介质的折射率时，激光束才有可能产生捕陷力，而当小球的折射率小于周围介质的折射率时，激光束对小球产生排斥作用。很明显，在这种情况下，介质小球的折射率与其周1七1介质的折射率2实验原理及测量方法从以上分析知道扃会聚中光束激光可以产生个捕获介质小球的激光陷阱。捕获力的大小与激光参量有关。本文仅通过实验的方法，分析研宄激光微束对介质小球进操纵时，激光功率与所产生的捕陷力的关系及对+同尺寸实验对光束传播方4及乖直光轴方4的捕陷力测姑。其方法是基于找出克服小球粘滞力操纵小球的最大速度。也就是测量小球在光陷阱的作下迪过媒质的临界拈滞力。

　　垂直于光轴的7方向陷阱力的测量是根据流体力学中的斯托克斯定律。将载物台沿他砂贞镩亦光陷阱中方向以记速度移动。对于波捕获的小球。小球导致因纵向梯度力产生的回复力。故在焦点附近的粒子将受到这个维空间的回复力而稳定不动洞阳介质以速度作相对运动町以到小球在粘滞液体中的粘滞拖动力，这个力征了7方向的陷阱力，其大小为移动的速度达到0时，小球刚好脱离陷阱，称为临界速度。则此时，通过付临界速度的测请可求出方向陷阱力的大小。

　　沿光轴传播的之方向陷阱力的测量是利用介质小球在重力方向上力的平衡关系进行方向上的某位置，然后逐渐减小激光功率，当激光功率减小到刚好使小球脱离激光陷阱，并沿2轴方向作匀速运动时，2方向上的陷阱力刚好等于小球的重力，与其在介质中的浮力，的矢景和，两力均在轴方向。可以4为，=Vgdd3式中厂为小球的体积为重力力速度，3和分别衣小介质小球和其周围介质的密度。

　　可知，陷阱力於的测定关键是测出临界速度1.具体的方法是调节好光慑装置，让介质小球处于激光陷阱的作用下，在小球被捕陷后，移动显微镜载物台，当，动速度达到使小球刚好脱离光阱时，保持此时的速度。并作匀速移动。通过测定在时间内相对载物平台作匀速光陷阱时的临界速度实验时通过光学放大系统和信号采集系统对观测的结果进行录像，对结果进行重现，并测定电介质小球作匀速运动时所移动的距离和移动的时间。确定放大系统的放大率求出介质小球相对于载物平台移动的速度，即小球刚好脱离光陷讲，的临界速度冲中可写成v 3实验装置用高会聚笮光柬激光捕捉操纵电介小球镜为主体。激光器及光路耦合器和动态监测系统4个部分组成。激光源为激光器。光学显微镜选用正立显微镜。3中显微镜物镜头除了对物体进行放大外，另个作用就是对激光束进厅高会聚。为了使会聚后的激光微束具有较小的尺寸，从激光器发出的激光首先通过扩束镜进行扩束，扩束后的激光经过会聚透镜2后到达显微镜物镜头。会聚透镜2的主要作是通过调节其位迟，改变显微物镒付光束进行会聚后的焦平面的位置，使焦平面处于物平面附近。测量用的电介质小球放于显微镜载物台上的载玻炒或样品池里的液体介质中。

　　显微镜物镜对具有定功率的激光束进行高会聚后照射到样品上，利用激光微束将电介小球捕获于陷阱中，当小球被捕获后，移动显微镜载物台，被捕获的介质小球不动，使周围的液体介质相对于小球运动，而达到操纵小球的的，小球运动的情况以未捕获的其它小球作为参照。

　　激光捕陷操纵电介质小球的实况方面可以通过显微镜目镜进行观察，另方面又可以通过摄像机进行摄像，将捕陷情况用显器显并进行录相要时可付文测怙况进行屯现。

　　4实验数据实验用电介质小球为实心玻璃微球，折射率约为1.5，液体介质为蒸馏水，折射率为运动所移动舰离可求出小球刚好脱离激，3.粘滞系数石。狐激光器输出为TEMm模式。激光会聚镜为JvJ 1.25的100显微物镜，会聚后的光斑直径约。3，会聚光斑为饼形。实验数据。

　　光功率陷阱力的相义系数值为04.少，1电介质小球Q9993431906.4电介质小球厂=Q 5问讨论根据以上测量结果可以作出户，外相关的数据曲线4，5.由计算得激从实验曲线和计算结果可以看出激光功率与出阱临界速度以及激光功率与陷阱力成正相关。即所加激光功率与介质小球的出阱临界速度及其产生的陷阱力成线性关系变化，激光小球直径！

　　功率越人对小球产的捕陷力也越大洞时从测量数据我们也注意到，对几何尺寸实验结果质小球所产生的陷阱力不同，随着功率的增加，在单位功率下对大尺卟小球所产生的力的变化率，斤公叫直比小尺寸小球的变化率快得多，即改变单位功率所产生的捕获力更大。需要指1的是这汉仅是迪过实验观黎测黾的初步结果，这是因为除了激光功率改变对电介小球。产生的梯度力和散射力的影响外，还存在周围介质及载玻片对光的吸收反射等因素的影响，闪此这结果有待于进步的研宄。

　　通过以上的实验研宄，找出了高会聚激光微束在捕陷电介质小球时，激光功率与捕陷力之间的关系及可行的测量捕陷力的方法。由于闲5激光功率与捕陷力的关系曲线胞细胞器，为生命科学深入细胞亚细胞层次段，本文研宄的内容为实现对微米量级的活细胞，细胞器的悬，分选操纵及对染色体的切割等方面的研宄提供了实验数据。

　　6参考文献4李银妹。光慑原理技术和应用。合肥中国科学技术大学出版社，1996 5蔡惟泉。介质微粒的光捕陷光悬浮和光操纵。物