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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:“Inamediuminwhichwavesarepropagatedthereisapressureinthedirectionnormaltothewave,andnumericallyequaltotheenergycontainedinunitofvolume”(1873)PNLebedevwasthefirst(1901)tomeasurethepressureoflight,confirmingpredictionsbasedonMaxwell’sequations.Hewasalsothefirsttoshowthatthispressureistwiceasgreatforreflectingsurfacesasforabsorbingsurfaces.ArthurArthurAshkinAshkinA.Ashkin,J.M.Dziedzic,J.E.BjorkholmandS.Chu.1986."ObservationofaSingle-BeamGradientForceOpticalTrapforDielectricParticles."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=P112PZ2''2φφ(sincn2φcosφ+sinφφcos)n1Y2Isinnφ2cosnφ2−(n2)F=s112n2SZ2'''2(sincn2φcosφ+sinφφcos)φ'Z1.1.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,thereisacorrespondingreactionforcewhichisequalinmagnitudeandopposite出射光indirection”.球推动光向左偏移