单光束光镊光阱力分析-河北师范大学学报.PDF

第30卷 第 1 期 河北师范大学学报(自然科学版) Vol.30 No.1 2006 年　1月 Journal of Hebei Normal University (Natural Science Edition) Jan.2006 单光束光镊光阱力分析 赵海军, 　朱占收, 　徐建波 (山东师范大学物理与电子科学学院, 山东济 　250014) 摘 要:在几何光学近似下, 利用光线追踪法分析了激光微束对微粒的作用力, 数值计算中考虑了激光微 束的具体结构对光阱力的影响.分析表明:相对折射率和激光束腰对光阱力有重要影响, 激光波长和微粒大小 对光阱力也有一定影响. 关键词:光镊;激光微束;梯度力;捕获 中图分类号:O 439　　　文献标识码:A 　　　文章编号:1000-5854(2006)01-0045-04 [1] 1986 年贝尔实验室的Ashkin 等 把单束激光引入高数值孔径的显微物镜形成了三维光学势阱, 光镊(optical tweezers )即为此类单光束梯度力势阱.由于光镊具有微米量级的定位和操作的特点, 可对 微粒进行亚接触性、无损伤性操作.光镊捕获粒子的尺寸从纳米到几十微米, 产生的10-12 N 量级的力 正适合于生物细胞、亚细胞层次结构的研究.因此光镊技术为动力原蛋白运动机制、DNA 分子的非弹性 [2,3] 拉伸应变等精确的细胞研究提供了新的操纵方法 . 光镊是利用激光微束的动力学效应实现的.从原理上说光镊是激光与微粒之间复杂的交互作用.这 种交互作用与激光的波长、强度分布、聚焦角度以及微粒的大小、形状、相对折射率、吸收率和周围介质 特性等都有密切的关系.到目前为止, 尚未建立起反映激光与微粒之间复杂交互作用, 并可用于所有状 况的普适模型.研究光镊作用力的理论模型目前主要有2 种, 即几何光学模型(ray-optics model, 简称 [4] O model)和电磁波模型(electromagnetics model,简称EM model) .前者以几何光学与光子动量转移 为基础,适用于微粒直径较光波波长大的情况, 即米氏粒子;后者基于Maxwell 电磁波理论与微粒极化 原理,适用于微粒直径较光波波长小的情况, 即瑞利粒子.当今生物、医学研究中的细胞、细菌、病毒等从 尺度上可认为是米氏粒子,所以可用几何光学的方法来分析.以往对光阱力的分析多是基于单光线的定 [5,6] 性或半定量分析 ,但是缺少对有一定尺度、结构的光束对微粒的整体作用的全面分析.本文中, 笔者 利用几何光学模型对具有特定光束结构的光阱力进行了数值计算与分析.数值计算中考虑了激光微束 的具体结构对光阱力的影响, 从而可以更清楚地了解光镊对微粒的捕获机理和光阱力的影响因素. 1　相互作用原理 光与微粒物质的相互作用包含着能量和动量的传递.光经过微粒一系列的反射和折射,其动量要发 生变化,变化的动量转移到了微粒上,若一束光照射到微粒上, 其动量变化为ΔP , 则物体得到的动量为 -ΔΡ -ΔP ,作用在物体上的力为 .光与微粒物质的相互作用的过程可以透明介电质小球为例加以说 Δt 明.假设小球直径远大于波长,小球的折射率大于周围介质的折射率. 首先考虑光强非均匀分布的平行光与小球的相互作用, 如图1a 所示(a , b 为代表性的2 条光线, 1 1 b 1 的光强大于a 1 的光强).假设光强自左向右逐渐增大.右边较强的光线 a 1 经过2 次折射穿过小球 后,使小球获得较大的向右方向的动量, 使得小球获得向右的较大的力.这样小球所受的向左和向右的 力在横向便不再平衡,小球被推向右边光强大的一侧