光的力学效应及其应用.pdf

中学物理 V01．30 No．01 2012年 1月 光 的 力 学 效 应 及 其 应 用 闫迎利 (安阳师范学院物理与电气工程学院 河南 安阳 455002) 1 光的力学效应 光镊其实是具有引力的光学势阱，这样的光学势阱如同传统 光具有能量和动量，光的动量是光的基本属性．携带动 机械镊子能挟持和操纵微小物体，所以称它为光学镊子或简 量的光与物质相互作用伴随着动量的交换，从而表现为光对 称光镊． 物体施加一力．作用在物体上的力等于光引起的单位时间内 所谓的光镊其实是比拟宏观机械镊子对光的势阱效应 物体动量的改变，并由此引起物体的位移和速度的变化，称 的一种形象而通俗的描绘，所以在研究光镊 自身的物理性质 之为光的力学效应． 时往往采用 “光捕获阱”、“光梯度力阱”或 “光学势阱”等物理 20世纪70年代，朱棣文等人利用光压原理发展了用激 术语．而在利用这一物理性质形成的一种技术手段或工具 光冷却和囚禁原子的方法。获得了 1997年度诺贝尔物理学 时，则赋予它相应于机械镊子而又不失其本质的这样一个独 奖．这一研究成果也为荣获20O1年度诺贝尔物理学奖的玻 特的命名——光镊．光镊捕获的粒子在几十纳米到几十微 色一爱因斯坦凝聚方面的工作提供了有效的实验手段．与此 米，在这个尺度上，它提供了一种对宏观现象的微观机理的 同时。人们也在探索光对微小的宏观粒子的力学效应．1986 研究手段，特别是为从生物细胞到大分子的纳米生物学。提 年，A．Ashkin等成功地利用一束强会聚激光束实现了对生 供进行活体研究的条件． 物微粒的三维捕获，这一发明被形象地称为光阱或光镊，并 3 应用 且成了这一尺度范围的粒子特有的操控和研究手段． 3．1 镊 的无损操控 2 理论解释 光的无损和穿透特性，使光镊可以在保持细胞在自然生 光作用于物体时，将在物体上施加一个力．由于光辐射 长环境的情况下进行非接触式的捕获与操控．这种新型的单 对物体产生的力常常表现为压力，因而通常称之为辐射压力 细胞操作技术克服了以往细胞难以被固定和易产生机械损 或简称光压．然而，在特定的光场分布下，光对物体也能产生 伤这两个致命的缺点．在生命科学的研究中，几乎所有的单 一 拉力，即形成束缚粒子的势阱． 细胞操作中都可以用光镊技术替代传统的实验技术．例如对 如图1所示，一束激光被透镜聚焦后射到透明介质球 细胞进行 固定、悬浮、分选，用于单细胞融合 ，研究细胞骨架 上 。经介质球两次折射后，光子动量发生变化，这种变化反作 等。光镊还能有效地收集染色体片段．光镊的特点使其在纳 用于小球 。表现为对小球的反作用力 ，该力 的大小正 比于光 米科技和生物医学领域具有广泛的应用前景．光镊的发明带 的强度梯度。合力方向指向光束焦点．这种由于光场强度分 来了生物个体微操作技术上的革命性进步． 布不均匀而产生的力，称为梯度力． 3．2 微小力的传感器 光镊操控粒子的作用犹如一个弹簧，光阱中的粒子受到 外界的作用，将偏离原先的平衡位置(光阱中心)，所以光镊 也是一个微小力的探针，其力的大小在皮牛量级．在生物大 分子的水平上，生命过程表现为物体的