光鑷

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光鑷光鉗英文:optical tweezers)是一種通過高度聚焦雷射束產生力(量級通常為皮牛頓級)移動微小透明物體的裝置。其中把持物體的區域也稱爲光阱(optical trap),相應的技術稱作光學捕捉(optical trapping)。這種技術可以用於移動細胞病毒顆粒,把細胞捏成各種形狀,或者冷卻原子。由於光鑷的力可以精準地直接作用於細胞甚至更小的目標,光鑷在生物學方面的應用越來越廣泛。

顯微鏡升級改造為光鑷的方法:NanoTweezer顯微鏡奈米雷射鑷轉換裝置5分鐘內將顯微鏡升級為奈米雷射鑷。

光鑷原理[編輯]

基本原理[編輯]

介電質顆粒會吸引到光束聚焦點中心。作用於物體上力的大小與物體到光束中心的距離成正比,就像彈簧系統。

光鑷可以通過高度聚焦雷射束產生的力來操作奈米或微米級的介電質顆粒。高度聚焦雷射束通常是通過使雷射通過顯微鏡物鏡得到的。聚焦後的雷射光束最窄的部分(光束腰)會存在非常強的電場梯度。介電質顆粒會被吸引至電場梯度最高的區域,也就是光束的中心。同時,電場還會在光束傳播方向上對顆粒產生力。這點可以通過動量守恆來理解。光束中的介電質顆粒會吸收並散射光子,於是就會產生相應的動量的變化。如果顆粒不在光束腰上,由於光場光強梯度(即不同區域的光強差異)的影響,顆粒各個方向上會受到不均勻的力將其拉向光強最強的區域,如右圖所示。 光鑷是非常精確的設備,可以將亞微米級的顆粒移動亞奈米級的距離。[1] 所以,光鑷常常被用於研究和操作DNA蛋白質甚至是單個分子。

在定量科學測量中,通常電介質顆粒都會不移動到離光束中心很遠的地方。當顆粒與光束中心的距離很小時,顆粒受到的力與顆粒與光束中心的距離成正比。因此,其特性類似於普通的彈簧系統,遵守胡克定律.

光鑷原理的細節[編輯]

關於光鑷原理的解釋跟被作用顆粒的大小與使用雷射波長的關係有關。當顆粒的大小比雷射波長大很多時,射線光學原理就可以解釋光鑷的原理。如果雷射波長比顆粒尺寸大得多時,顆粒就可以被當做是在光場中的電偶極子。當被作用物體的尺寸與雷射波長在同一數量級時,可以利用麥斯威爾方程組來解釋其原理。

射線光學解釋[編輯]

射線光學解釋(未聚焦雷射)。當顆粒偏離光束中心時(右圖),由於光束中心的光強較大,動量的轉移造成對顆粒有一個指向光束中心的合力。當顆粒處於光束中心時(左圖),顆粒受到的橫向合力為零。但是未聚焦的雷射會對顆粒造成沿著光線傳播方向的力。
射線光學解釋(聚焦雷射)。聚焦的雷射除了可以將顆粒困在雷射的中心軸上,還可以將它困在光軸上的特定位置:無論顆粒在雷射聚焦點之前(左圖)或之後(右圖),動量的傳遞都會對顆粒產生一個指向雷射聚焦點的合力。因此,顆粒會被固定於聚焦點稍微偏後一點的位置。(稍微偏後是因為顆粒會由於光的散射而受到沿著光傳播方向的力)

當被作用的目標尺寸比雷射波長明顯大很多時,光學捕捉現象可以使用射線光學來解釋。如圖所示,雷射中發出的光線進入和離開顆粒時會發生折射。因此,光線離開顆粒時,其位置與其進入顆粒時會發生改變。由於光子本身帶有動量,這種方向的變化說明有動量的轉移。根據牛頓第三運動定律,就會有一個大小相等,方向相反的動量作用於該顆粒。

通常人們利用高斯光束來進行光學捕捉。在這種情況下,如果顆粒偏離光束中心,如圖右半部,由於光強較強的部分會比光強較弱的部分產生更大的動量轉移而產生更大的力,因此顆粒最後受到的合力是指向光束中心的。如果顆粒在光束的軸線上,進入顆粒的光線會均勻地向周圍散射,造成顆粒在橫面上受到的合力為零。在這種情況下,顆粒受到的合力是沿著光線傳播方向的。軸向上,顆粒表面散射的產生的推力會與由於光場強度梯度產生的梯度力抵消,造成顆粒穩定於軸線上束腰稍後一點的位置。

參考資料[編輯]

  1. ^ Moffitt JR, Chemla YR, Izhaky D, Bustamante C. Differential detection of dual traps improves the spatial resolution of optical tweezers. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103 (24): 9006–9011. Bibcode:2006PNAS..103.9006M. PMC 1482556. PMID 16751267. doi:10.1073/pnas.0603342103.