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光镊原理与应用 光镊原理与应用 Optical Tweezers: Theory and Applications Optical Tweezers: Theory and Applications 刘志海 刘志海 提纲 提纲 1.光辐射压力 1.光辐射压力 2.光镊原理 2.光镊原理 3.多种形式的光镊系统 3.多种形式的光镊系统 4.光镊的应用 4.光镊的应用 提纲 提纲 1.光辐射压力 1.光辐射压力 2.光镊原理 2.光镊原理 3.多种形式的光镊系统 3.多种形式的光镊系统 4.光镊的应用 4.光镊的应用 1.光辐射压力 1.光辐射压力 17世纪，德国天文学家 17世纪，德国天文学家 开普勒就猜想彗星的尾 开普勒就猜想彗星的尾 巴背向太阳是因为受到 巴背向太阳是因为受到 太阳的辐射力。 太阳的辐射力。 1.光辐射压力 1.光辐射压力 J C Maxwell: “In a medium in which waves are propagated there is a pressure in the direction normal to the wave, and numerically equal to the energy contained in unit of volume” (1873) P N Lebedev was the first (1901) to measure the pressure of light, confirming predictions based on Maxwell’s equations. He was also the first to show that this pressure is twice as great for reflecting surfaces as for absorbing surfaces. Arthur Ashkin Arthur Ashkin A. Ashkin, J.M. Dziedzic, J.E. Bjorkholm and S. Chu. 1986. Observation of a Single-Beam Gradient Force Optical Trap for Dielectric Particles. Opt. Lett. 11 (5) 288-290. 朱棣文 朱棣文 1.光辐射压力 1.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.光辐射压力 1.光辐射压力 2 2 2 2 2 I n2 sinn ( n φ − φ )(sincosφ+) F P 1 1 2 PZ 2 2