光镊原理浅析 - 图文

光镊原理浅谈

岑学学

光镊技术由来已久，阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin ）在1986年就发明了第一代光镊。经过30多年的发展，光镊技术已经越来越成熟，并应用在生物学、物理学、医学等领域。这里我们将尽量通俗地介绍光镊的原理。

光镊，简单来讲，就是用激光来俘获、操纵、控制微小粒子的技术。这微小粒子可以是小水珠，活细胞，生物大分子等。当激光打到小粒子的时候，粒子就被光“吸住”了，并且会被吸到光强最强的地方，也就是焦点处，移动光束，就可以移动粒子。

那么，粒子为什么会被吸到光强最强的地方并被束缚住呢？

光与物质是可以相互左右的。一柱水喷我们身上，或者一阵风迎面吹来，我们都能感觉到些许压力，具有波粒二象性的光自然也一样会对我们产生压力，只不过这个力很小很小而已，这就是光压。而在某些情况下，光还能对物体产生拉力，这样就形成了能束缚粒子的一个“陷阱”，通常被称为势阱。那么势阱又是如何产生的呢？我们需要先来复习一些中学的物理知识---动量守恒定律。

如图，有两个小球，铜球有一个初速度，动量为p1，钢球则是静止的，动量为p2=0。把这两个小球看作一个系统，那么这个系统的初始动量就是p=p1+p2。

铜球撞上钢球后，它们各自的速度都发生了变化，动量也变了。但是系统的动量是不变的，还是等于p，这就是动量守恒定律。

我们回来看光束和透明小球组成的系统，如图，光束有一个动量，而小球则是静止的，动量为0，而光束的动量是水平的，系统在竖直方向上的动量为0.

当光束照射到小球但不通过中心的时候，小球会使光线折射，如图。

这时光束在竖直方向上有了一个向下的动量。为了使系统的动量守恒，小球必须有一个向上的动量，这个动量就把小球“吸”向光速的轴线。

如果小球在光束的轴线上但在焦点之外，那小球就会使光束汇聚，如图。

汇聚的光束会使它的动量比原来的大，此时需要小球有一个反向的动量，这样才能使系统的动量守恒，这个反向的动量就把小球拉回焦点。 如果小球在光束的焦点以内，则会使光束扩散，如图。

扩散的光束动量会比原来小，为了使系统动量守恒，小球需要有一个同向的动量，这个动量就把小球推向焦点。

就这样，只要小球偏离了焦点，都会有一个动量使它回来，就像一个陷阱一样，把小球束缚住。我们移动光束，也就可以控制小球了，就像一个镊子。这就是光镊的基本原理。如果还不太明白，可以看视频。