基于自组型光镊的梯度光场与基本参数实验一、实验目的1.通过亲身参与部分的光镊搭建工作，建立对光镊仪器的光学设计原理和组成结构的直观理解。

2.理解光镊在实现微粒捕获的过程中对成像系统的要求，捕获光路在光镊工作时的影响以及调试方法。

3. 掌握光镊力学性能的表征测量方法，结合物镜参数分析基本参数在影响光镊性能时的特点和规律。

4．开放式的实验教学，提高学生的综合分析和解决问题的能力，启发同学在面对问题时要敢于设想，敢于求证。

二、原理部分1.光镊技术简介光镊是利用强会聚的激光光场与微粒相互作用而形成的光学势阱，可以在三维方向控制微粒。

A. Ashkin等人于1986年发现单独一束强聚焦的激光束就足以形成三维稳定的光学势阱，因此，光镊正式名称为“单光束梯度力势阱”（single-beam optical gradient force trap），是利用激光的力学效应来实现对微粒的俘获、夹持和移动的一种物理工具。

光镊使物体整个受到光的束缚达到“钳”的效果，然后通过移动光束来迁移物体。

在以形成光镊的光为中心的一定区域内，物体一旦落入这个区域就有自动移向光束几何中心的可能，表现出光镊具有“引力”效应(也有人称之为牵引束)。

已经落入阱中的微粒(处在光学中心的微粒)若没有强有力的外界扰动，物体将不会偏离光学中心。

由于各种外界作用或微粒自身运动等原因，微粒偏离了光学中心也会很快恢复原位，所以光镊又酷似一个陷阱。

这个陷阱有一定范围，在该范围边界处存在一个势垒。

当物体的动能不足以克服势垒时，它将继续停留在陷阱内。

光镊操控具有可视性，能够实时动态跟踪、进行微小力的测量。

光镊在研1究微小粒子行为方面具有非常明显的优势。

首先，光镊对微粒以非接触的遥控方式，实施无损无菌操控；其次，光镊捕获的粒子在几十纳米到几十微米，正好是生物细胞、细胞器以及生物大分子的尺度范围。

对于活体的操控，光镊填补了微米、纳米尺度范围的操作工具，是该尺度范围唯一的操作手段。

光镊技术兼容性强，可以与荧光激发，拉曼光谱技术，DIC微分干涉仪，微针辅助测量等等技术结合。

2.激光的梯度光场与力的分析光阱的产生是光与物体相互作用的结果，激光经汇聚形成具有梯度力的光场，具有一定透明度的微粒在此梯度光场中一方面由于吸收和反射产生散射力，另一方面由于折射引起动量改变，产生的梯度力克服散射力的影响，使得微粒被稳定在焦点附近。

其中，微粒的折射率大于周围环境折射率，微粒的直径在远大于激光波长时可以用几何光学方法进行受力分析。

以下就梯度光场和小球受力这两个关键因素加以分析说明。

2.1 激光的梯度光场光线是具有动量的，动量是一种矢量。

当一束激光照射到小球上时，激光发生折射和反射，也包括一部分吸收，由几何光学可确定光线传播的路径。

我们以透明电介质小球为模型，通过考察光穿过介质球的行为来分析光作用于物体的力。

设小球折射率n大于周围媒质的折射率n0，且小球直径远大于所用激光波长。

为了便于说明，建立笛卡儿坐标系，以小球的中心为原点(0,0,0)，以光线传播方向为z轴正向，与Z轴垂直的平面即为X-Y平面。

在光束中取a、b两条光线为代表，图1所示为光线经小球的情形。

光线在进入和离开球表面时产生折射，用黑粗线表示；同时在表面也产生部分的反射，用虚线表示。

2图1梯度光场与小球的相互作用当小球处在一个均匀光场中，如图1（A）。

均匀光场各子光束施予小球的力在横向（X-Y方向）完全抵消，但存在沿Z方向的推力，这个力称作散射力，是由被微粒反射和吸收的光作用产生的光辐射压力，其大小与入射光的强度成正比,方向与光传播方向一致方向与光传播方向一致，它趋向于使小球沿光束传播方向运动。

这相当于对小球的一维散射力束缚。

当小球处在一个非均匀光场中，如图1（B）自左向右增强的光场中，在横向存在一个强度梯度。

产生的结果是射到小球上的所有光束的合力在横向不再完全抵消。

总的合力是把小球推向右边略偏下处。

小球在这样一个非均匀的，即强度分布存在梯度的光场中所得到的是一个指向光强较强处的力。

这种由于横向光场强度分布不均匀产生的力称之为横向梯度力。

这是由于光的动量有了改变，产生梯度力，如图2所示。

光在折射前所有的光均沿Z方向传播，即光的动量是沿Z方向的，光束经过小球发生折射，然而离开球后光传播方向有了改变，即光的动量有了改变，产生梯度力。

这就是二维光学势阱对小球的二维束缚情形。

3图2 光的动量改变实际上光镊中常用的光是高斯光束。

高斯光束光强具有空间三维对称分布，是一种典型的具有梯度光场的光源。

在垂直于光传播方向的平面上，光强随偏离光轴的距离增大而减小，由外向内形成光强梯度。

如图3所示，一个透明介质小球处于一个高斯分布的非均匀会聚光场中。

在横向，光强梯度指向光束中心；在轴向激光会聚之前，即束腰之前，光强梯度指向束腰；束腰之后，光强梯度逆光束传播方向指向束腰。

小球在这样一个三维梯度光场当中，在横向上，受到指向激光焦点的回复力，即横向梯度力F g；在纵向上，受到沿光束传播方向的散射力F s和始终指向束腰的拉力，即轴向梯度力F g。

若产生的梯度力大于散射力，可以克服散射力的影响,在焦点光斑中心附近产生一个稳定的光学势阱，将小球稳定束缚在该势阱内。

这就是三维光学势阱对小球的稳定捕获。

4A 小球在束腰以外B 小球在束腰以内图3 汇聚激光与小球相互作用在几何光学近似下,梯度力和散射力的大小分别为F g = nPQg/c（1）F s = nPQs/c（2）式中n为周围介质的折射率，c为光速，P为激光功率，Qs和Qg为小于1的无量纲的系数，对于梯度力来说，Qg称为陷阱效率系数，常用它来描述光镊系统的性能。

2.2 微粒受力分析在满足折射率和粒径大小要求的基础上，小球在光场中会受到多个力的共同作用。

首先，小球具有质量，受到重力G作用，方向竖直向下；其次，小球处于液体环境中（本实验环境为纯水），受到浮力f作用，方向竖直向上，如图4。

小球有效重力相对较小，在后续的分析中可以忽略。

56图4 小球在梯度光场中的受力分析值得注意的是，重力会使得在实验中发生微粒沉底、粘底现象，不再具有自由布朗运动特征，无法被光阱捕获。

一般若配比合适浓度的样品，使得活动微粒数占有相当比例，可以解决这一问题。

微粒沉底后也可以适当对样品池进行搅动以使得粘底微粒重新自由活动。

除了可以忽略的有效重力之外，小球还受到梯度力Fg 和散射力Fs 的作用。

散射力的产生是由于小球对光的反射和吸收产生光辐射压力，大小与光强成正比，方向为沿着光束传播方向，其作用效果相当于将小球推离光束聚焦点。

影响散射力大小的主要因素有光的强度，小球的吸收系数，折射率等。

梯度力的产生是由于小球对光的折射引起动量改变，方向总是指向激光汇聚点。

其作用效果相当于弹簧振子模型中的回复力，始终将微粒拉向焦点。

影响梯度力的因素较散射力为多，除了激光强度，会聚角，还有小球的吸收系数，折射率以及相对折射率，粒径等。

对于透明介质小球，一般散射力相对梯度力较小。

综合散射力和梯度力，我们可以发现，在与光束产波方向垂直的横向平面（X-Y 平面），由于高斯光束经过汇聚，散射力很小，而主要为梯度力作用，梯度力始终指向焦点，使得粒子在X-Y 平面内束缚在光束中心，焦点附近，实现横向捕获；在光束轴向，散射力与梯度力共同作用，散射力倾向于将粒子向外推，梯度力则将粒子向内拉，当轴向梯度力大于散射力时，微粒能被稳定束缚于焦点附近，实现纵向的捕获。

由于汇聚光束一般会聚角较大，故而在一般情形下，对微粒的稳定三维捕获是很容易实现的。

在理解光镊产生原理的时候，明确Fg和Fs及其相对大小在粒子捕获过程中的重要作用是很重要的，我们很有必要通过实验和对实验现象与数据的分析来加深这一认识，从而对光阱捕获能力与Fg、Fs相对值之间的关系有一个直观和半量化的理解。

2.3 二维光阱与三维光阱我们在2.2中已经提到三种小球束缚情形：小球仅受到轴向散射力的一维光学势阱，小球在X-Y平面内受到了光的束缚的二维光学势阱；小球在横向和纵向都受到光的束缚的三维光学势阱。

我们知道，高斯光束光束的会聚角越大，会聚）越小，轴向和径向的光强变化越大，梯度光斑的焦点半径（即激光束的束腰w极值的绝对值越大，对微粒的梯度力也越大。

因此，在高斯光束束腰较大时就具有形成二维光阱的条件。

建立二维光阱对激光聚焦要求较低，可以用数值孔径较小的显微物镜。

可以在辅助条件下（例如，在横向加一衬底以控制微粒轴向运动，可俘获微粒于束腰前光轴上）控制微粒，实现应用。

而如何实现三维空间的完全束缚呢？我们很自然能联想到在高斯光束束腰较小时，梯度力较大，那么强聚焦的激光光束光束具有较大的横向(X-Y)动量和较小的轴向(Z)动量，就能达到梯度力大于散射力的条件，从而实现三维光阱。

我们将在后面的实验中，进行对不同梯度光场实现二维和三维捕获的探究。

三、自组型单光镊光路1.光镊装置组成光镊装置基本由以下部分组成（1）照明光，包括光源和聚光镜；（2）样品和样品室；（3）样品台，由样品托架，操控器组成；（4）捕获光，由激光器、光学耦合器件、聚焦镜等组成；（5）成像与观测器件，由成像光路和图像显示等组成。

72.显微成像系统在成像系统中，携带有样品信息的照明光透过双色分光镜抵达探测器平面，在CCD靶面上成像后呈现于视屏。

物体经显微物镜放大后成一中间像，再经摄影目镜成实像在探测器靶面，即摄影机光靶上，然后光信号被转化成电信号，在显示器上经软件显示出实时图像。

光阱捕获的微粒所在样品物面与显微镜物面重合，显微摄影的总放大率等于显微物镜的放大率乘以摄影目镜的放大率。

光镊作为一种可以实现对微粒的俘获和夹持的物理工具，很类似与现实生活中的镊子。

用镊子夹取物体，我们首先要有一双可视的眼睛，才能看到镊子是否夹住了物体。

同样地，光镊系统也需要这样清亮的“一双眼睛”，就是显微成像系统。

当成像系统调节不合理时，我们看到微清晰成像的微粒徘徊在光阱位置附近，但却观察不到捕获效果。

这是由于显微物镜的成像面距离光阱的阱位太远，以至于阱位处在物镜景深之外，当看到微粒时，微粒处于成像面上，当然是不能被捕获的了。

同时，光阱虽然不在成像面上捕获微粒，实际上光阱在其所在位置依旧是可以捕获在阱位附近的微粒的，只是阱位与成像面不重合，我们不能观察到而已。

还有一种情况，阱位和成像面相差不远，可以观察到微粒被捕获，但成像较为模糊不清，如图5（A）。

这就要求我们在光路设计和光路调节环节中充分考虑成像面和阱位的重合问题和调节方式。

我们也很有必要对成像面和阱位调节关系加以实验探究。

本实验采用无限远消色差物镜，入射捕获光束要求为近平行光，出射的携带有信息的光也是平行的，需要经一个辅助透镜汇聚后通过摄影目镜和CCD成像。

3.成像面与光阱阱位调节我们知道，光阱捕获的微粒所在样品物面应为物镜成像面，才能清晰成像，故而成像面应与光阱阱位重合。