问题

如何用简单的语言介绍「光镊」的原理?

回答
想象一下,你手里拿着一个非常非常精细的吸尘器,但它不是吸走灰尘,而是能“抓住”那些微小的、你肉眼几乎看不见的东西,比如单个的细菌、细胞,甚至比它们更小的分子。这就是“光镊”大致的工作方式。

核心原理:光有“推力”和“拉力”

你可能觉得光就是来照亮的,是给我们看见东西的,但实际上,光也是有能量的,而且它还能施加一种非常微弱的“力”。这个力,虽然小到我们平时根本感觉不到,但对于那些极小的粒子来说,就足够产生影响了。

你可以把光想象成一束非常细长的水流,当你用水枪喷射一个很轻的小球时,水流会把小球往前推。光也有点类似,它的能量会“撞击”到粒子上,产生一个微小的向前推的力,我们称之为“辐射压力”。

但是,光镊厉害的地方在于,它不仅能推,还能“拉”!怎么做到的呢?这就需要借助一个聚焦的光束。

聚焦的光束:一个看不见的“陷阱”

想象一下,我们不是用光水枪直接往前喷,而是用一个放大镜把阳光聚焦成一个小小的亮点。当这个小亮点对准一个很轻的小球时,会发生什么?

1. 向前推的力(辐射压力): 光束在往前传播,就像之前说的,会给粒子一个向前推的力。

2. 侧向的“拉力”: 关键在这里!当光束被聚焦到一个点时,光线的方向会发生变化。光线不是直线前进,而是从四面八方汇聚到焦点。当一个粒子靠近这个焦点时,它会“接收”到来自不同方向的光。

想象一下,粒子在焦点的“前面”一点点: 更多的光线是从后面射过来的,这些光线会把粒子往焦点方向推。
想象一下,粒子在焦点的“后面”一点点: 更多的光线是从前面射过来的,这些光线会把粒子往焦点方向拉。
想象一下,粒子在焦点的“旁边”: 光线会从不同角度射入粒子,就像有几根细线在把粒子往焦点中间拉。

总而言之,当粒子稍微偏离焦点时,光线就会对它施加一个“拉力”,让它回到最亮、最集中的焦点中心。

所以,整个过程就像这样:

1. 我们用一个特殊的激光器(非常稳定、聚焦性好的激光)。
2. 通过一个高品质的显微镜物镜(就像一个超级厉害的放大镜)。
3. 把激光聚焦成一个极小的、能量高度集中的光点,这个光点就是我们看不见的“光镊”。
4. 当一个微小的粒子(比如一个细胞、一个细菌)恰好进入了这个光点的附近时,它就会被这个“光镊”牢牢地“抓住”,被固定在光点的位置上。

它的“神奇”之处:

非常精细: 它可以抓住比头发丝细几万倍的粒子。
非接触: 它完全是通过光来操作,不会物理地接触到粒子,所以不会伤害到它们。
精确控制: 我们可以通过移动激光器或者改变镜头的角度,来精确地移动这个“光镊”,从而带着被抓住的粒子去任何我们想去的地方。
测量力: 甚至,我们可以通过测量粒子被“推开”的距离,来估算出它受到的微小力量有多大,这在研究细胞间的相互作用、蛋白质的运动等方面非常有用。

所以,光镊就像一个极其灵巧、看不见的“光之手”,让我们可以在微观世界里,对那些微小的生命和分子进行精密的抓取、移动和测量,就像在玩一个高科技的“微观积木游戏”。

网友意见

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很久以前听E. You谈过他的理解。

你知道一般在一个光场中放一小块透明介质,光场就会发生改变。比如在平行光场中放一小片标准透镜,就会将一部分平行光转化为汇聚光场。但有一个例外。就是在汇聚光场的焦点处,无论放何种透镜(只要足够小)光场都不会改变。依据法拉第原理/勒啥特列原理or whatever,光场有抵抗变化的趋势,所以会将介质推向汇聚光场的焦点处/或光强最大处。这也是为何轻微透明介质会被trap在光强最大处。

以上说明未必严谨,毕竟彼时You神还是一名大三学生。但一定形象。

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从折射讲起比较好理解,只需要几何光学和普通物理知识。

当然也有更复杂的版本,取决于粒子大小了。如果激光波长比颗粒尺寸大得多时,颗粒就可以被当做是在光场中的电偶极子。当被作用物体的尺寸与激光波长在同一数量级时,可以利用麦斯威尔方程组来解释其原理。当粒子比较大的时候才好用几何光学解释。

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光镊的产生是基于由光动量改变而产生作用力,这是力产生的原因(光的力学效应),类似可参考光压。

激光的产生可以使这一作用力足够大,从而捕获粒子。

我们都知道光有波粒二象性,光与物质相互作用下,这里我们主要考虑粒子性。

如果在光跨越两种折射率不同的介质临界面时,光的方向会发生变化,即折射,同时也会发生mie散射。这里折射和mie散射都是弹性碰撞。

那么拿一束高斯光束照射大颗粒透明粒子,光会发生折射,方向改变,动量发生变化。根据动量守恒定律,光子的初末动量之差转换到了微粒上,则我们可以计算出这个力为梯度力

其中

当颗粒偏离光束中心时(右图),由于光束中心的光强较大,动量的转移造成对颗粒有一个指向光束中心的合力。当颗粒处于光束中心时(左图),颗粒受到的横向合力为零。但是未聚焦的激光会对颗粒造成沿着光线传播方向的力。

聚焦的激光除了可以将颗粒困在激光的中心轴上,还可以将它困在光轴上的特定位置:无论颗粒在激光聚焦点之前(左图)或之后(右图),动量的传递都会对颗粒产生一个指向激光聚焦点的合力。因此,颗粒会被固定于聚焦点稍微偏后一点的位置。(稍微偏后是因为颗粒会由于光的散射而受到沿着光传播方向的力)

到此对于初学者而言就足够了,通俗易懂,兴趣十足.

参考文献

梁言生,姚保利,雷铭,严绍辉,于湘华,李曼曼. 基于空间光场调控技术的光学微操纵[J].光学学报,2016,36(10).

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