激光与微观粒子的相互作用
原子的激光冷却和捕陷
S. 朱棣文 ，C.C.达诺基，
W.D.菲利浦斯
1997年 诺贝尔物理学奖
原子冷却——不停热运动的原子 速度(v =104~ 105cm/s)慢下来
原子的激光冷却—原理图
六束各向同 性激光辐射 与具有热速 度分布原子 气体冷却
原子的激光冷却—实验装置图
(2) 光镊可以穿过透明封闭系统的表层（细胞膜）操控其内 部微粒（细胞器），也可以透过封闭的样品池的外壁，操控池 内微粒，实现真正的无菌操作。使得光镊有‘隔墙取物’之功 能。 (3)光镊是微小力的探针，类似弹簧，是极其灵敏的力传感 器。
激光斑直径mm会聚到μm量级
b
a
单光束梯度力阱—光镊
1986年，美国贝尔实验室的Arthur Ashkin等
人发现：单光束高度聚焦的激光可以稳定的捕
获直径数纳米到数十微米的微粒。 并形象的称之为“光镊”。
首次实现了单光束梯度力阱，即三位光学势阱，
单光束梯度力阱—光镊
a
b
F
Fb
O
a
Fa
R <λ/20
所采用的计算方法：
用瑞利散射的理论进行近似计算
光镊原理
光镊原理
C.第三类粒子（ R ~）介观粒子
在实验中，由于尺度与波长相近的粒子易被很牢
固地捕捉。所以我们经常用这样的粒子作为探测
对象，去研究我们感兴趣的微观现象。
但很不幸，在此尺度内(介观领域)，我们缺少与
之相配的理论，这就给我们带来了数值计算上的 困难。

PT 2 R
y
光镊原理
Y
oM
θ0 X
/
i OM O1
M
τ
O2
RN Байду номын сангаас θ
O
Z
i /
M
θ/
waist o
o2
米氏粒子所受光阱力：
Fz d
0
2
2
0
f z r sin d
2
光镊原理
B.第二类粒子Rayleigh Particles(瑞利粒子)
当粒子半径R远远小于入射光波在真空中的波长
光镊原理
C.第三类粒子（ R ~）介观粒子 近年来理论发展的方向是，将光阱中光的散射过程视为
电磁散射问题，则通过求解麦克斯韦方程就可以求解光 的散射场。
在电磁场计算领域，求解麦克斯韦方程有多种数值方法
：有限元法（Finite Element Method ) ，有限微分时 域算法(FDTD)又叫时域有限差分法，离散偶极子近似算 法(Discrete Dipole Approximation)，T矩阵算法（ T-matrix method）等等
▲ 光镊力有多大？
▲ 光镊的力学效应的应用
光镊如何抓取物体 ？
烟草细胞在
光镊的操控
下定向运动
光镊操控直径1微米粒子
三维空间
X-Y平面
Z纵方向
悬浮微粒
光镊的基本原理—散射力
a b a b
-ΔP P0 反射光 ΔP P1
Fa
Fb
Fa
Fb
二维光学势阱
I
0
z
o
r
(a) 基模高斯光束 (b) xoy平面内光强I随偏离光轴距离r的变化 图 2 高斯光束光场分布
铷原子速度的分布 玻色－爱因斯坦凝聚
实现原子复制
激光的宏观力学效应
世界上较大激光输出脉冲功率达1016w ; 聚焦强度达 8×1013W/cm2 ;
可产生亿度以上的高温, 能焊接、加工和 切割 最难熔的材料 世界上最高光压： 相应的电场强度可达 1021w/cm2 ; 相应的光压达 3×1011 大气压
从此，光的力学效应研究进入了一个全新的时代！
激光与普通灯光的比较
普通光源——自发辐射
激光——受激辐射
激发光放大 或光子复制
激光优点：高单色性，高亮度，相干性好。
3.激光的力学效应
▲ 激光与微观粒子的相互作用
---原子/分子 nm 级别
▲ 激光与微小宏观(介观)粒子的相互作用
---纳米/微米粒子 μm 级别 ▲ 激光与宏观物体的相互作用 mm以上级别 ---激光加工/核聚变/激光武器
--
1根发丝
---细胞，单分子间的相互作用力
传递微小力的使者 --微小力的探针！
光镊--一种特殊的光场形成的光学势阱，它是用光形成的镊子! 光镊具有机械镊子抓取物体的功能，是类比机械镊子形象称呼。
光镊/ 光学镊子/ 光学势阱/ 三维光学势阱/ 单光束梯度力势阱
光镊的特点
研究个体行为的工具！！！ 自然界，一切宏观现象都是大量个体行为的群体效应，而 光镊能够实施对单个微粒(细胞或大分子)的操控。 (1)对单个活体生物以非接触的遥控方式，实施无损无菌操 控；实时动态跟踪、进行微小力的测量。
1.光的力学效应机理
光有波粒二向性——光既有波动性又有粒子性。 光的粒子性——光束可以看作是由一系列光子流组成。 每个光子携带有能量和动量（线性动量和角动量）,
E hv hc / λ h=6.63×10 光子动量： P h / λ hν / c E / c
光子能量： 光与物体相互作用时彼此交换能量和动量.
单光束梯度力阱—三维光学势阱—光镊
a
入射的高斯激光束经过大数值孔径
b
激光束
透镜聚焦后形成高度会聚的激光束 作用到小球上。当轴外光束a和b穿 过小球时被折射，其传播方向趋向 于更平行于光轴，则光束的纵向动 量变大了。
根据动量守恒定律，小球获得了与
Fb
会聚透镜
f F Fa O
光束传播方向相反的动量，即小球 受到了纵向的拉力——梯度力。
光镊能够稳定的捕获微粒的首要条件
一是光强分布具有大的梯度，高度聚焦的激光束形成的 激光微束就具有大的强度梯度，这样才能产生足够的梯度 力来捕获住微粒。 二是粒子的折射率大于周围介质的折射率，这时因为如 果，光线穿过粒子时粒子将被从光场强度高的地方推向光 场强度低的地方，粒子将被推离光场。 在满足上述的基本条件后，微粒能否被稳定地捕获住还 涉及物理与生物粒子方面的性质。如激光微束的光波长、 激光功率、束腰半径、生物微粒的大小、 球半径，极化状 态光会聚角、吸收系数和粒子与周围介质的相对折射率， 以及球心与光轴的距离和球心与束腰的距离等等。。
激光加工
激光打孔 激光切割
激光加工
激光焊接
激光快速成型
Laser fusion激光核聚变
可 维原控 持子制 核 秒：地 ）点在 高 火温 条下 件聚 合 亿成 度重 (4 1
上海光机所神光Ⅱ号装置
反卫星激光武器
反卫星激光武器是一种远程战略激光武器 反卫星激光武器发射 的激光束，辐射强度高 ，能在空间、时间上， 将能量高度集中，具有 杀伤破坏作用。它的主 要杀伤作用是热效应， 即利用高温烧毁或重创 太空中的军用卫星。激 光束也有一定的冲击效 应，使卫星上的零部件 损坏或者偏离轨道。
(普朗克常量
-34
J· s)
光---动量--- 光压---力
2.光辐射压力—光压
17世纪，德国天文学家 开普勒就猜想彗星的尾 巴背向太阳是因为受到 太阳的辐射力。
2.光辐射压力—光压
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)——(波在介质中 传播，其压力的方向沿波的传播方向，大 小等于单位体积波的能量)
b
Fa
O
Fb
b
F
b
a
a
a
Fb O Fa
b
F
b
a
光镊– 光陷阱-光镊操控微粒的现象 尤如宇宙黑洞或吸尘器 将微粒吸入无底的深渊。 阱域、阱深和阱力
对于微小的粒子/细胞,几十纳 米-几十微米，光的力学效应 还是非常大的。可以明显看到 光阱周边的粒子以很快的速度 /加速度坠入阱中被囚禁，操 控的速度相当的快。
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. (列别捷夫1901 年基于麦克斯韦方程组首次测量光压力，该压力 一部分从物体表面反射，一部分被物体表面吸收)
激光扫频法：
(Frequency Chirping)
朱棣文1985年所用的仪器
基本思想是让冷却激 光的频率连续跟随原 子多普勒频移的变化 ，持续保持共振。
这种方法在使用中得到了发展，成功地将原子束减速。
激光与微观粒子的相互作用
1985年，朱棣文用两种不同的方法(二维光学势阱和磁光量子 阱)实现原子冷却，温度冷却到2.4×10-4 开尔文(K)。
光与物质相互作用—光的效应
光的效应:
在光的作用下，物体在宏观上产生的各种现象。
光的热学效应:
光与物体相互作用时物体的温度发生变化.—常见现象
光的力学效应:
光与物质间交换动量，使受光照射的物体获得一个力或力 矩，物体发生位移、速度和角度的变化. —难以察觉