光学微操作系统

1、光镊光学微操作系统上海中科大光镊科技有限公司研制陈铭南光辐射压力（光压） 光压：光子流产生的压强。 光携带动量与能量关系。P=E/C。 光与物质作用：包含能量与动量的传递。 光作用在物体上的力：F=P/t。 太阳光：平方米达因/5 . 0/SFp * * 1960 1960年年 激光问世激光问世 激光：例例10mw-10mw-单位面积的光功率密度单位面积的光功率密度将是太阳光的将是太阳光的10108 8倍。倍。 -光的力学效应得到充分展示！光的力学效应得到充分展示！ 高的光子流密度：高的光子流密度： 101017 17 瓦瓦/ /平方厘米平方厘米-10-101212大气压大气压 光的力学效应研

2、究进入了一个全新的时代光的力学效应研究进入了一个全新的时代光光力学效应研究发展史力学效应研究发展史 原子的激光冷却和捕陷原子的激光冷却和捕陷 （ 6060年代末年代末7070年代初）年代初） 19971997年诺贝尔物理学奖：年诺贝尔物理学奖： S.S.朱朱棣棣文文 C.C.C.C.达诺基达诺基 W.D.W.D.菲利浦斯菲利浦斯 该成果又促成该成果又促成- 玻色爱因斯坦凝聚的研究玻色爱因斯坦凝聚的研究 20012001年诺贝尔物理学奖：年诺贝尔物理学奖： C C.E.E.维曼维曼 E.A.E.A.康奈尔康奈尔 W.W.克特勒克特勒光光 -微观粒子相互作用微观粒子相互作用梯度力 A：均匀光场。

3、B：非均匀光场。力F指向光场最强处。 小球内折射率n大于周围介质。激光TEM00基模高斯光束二维光学势阱 高斯光束具有形成二维光阱的条件。 二维光阱在垂直于光轴平面内可捕获粒子。沿光轴小球仍自由。三维梯度力势阱单光束梯度力光阱 1986年A.Ashkin用强聚焦激光实现。负辐射压力：F：指向焦点（推力与拉力）散射力：指向光轴吸收：指向光轴Z方向捕获力分析 1. A、B点是粒子在Z轴的平衡点。 2.条件不同。平衡点位置不同。A点位于焦点外侧。 3.AB间：光镊的捕获域（焦点附近）。阱力的计算与测量 斯托克斯定律：流体力学中的流体力学中的Stokes公式：公式： fmax6 r Vmax 其中其中

4、为粘滞系数，为粘滞系数，r为微粒的半径，为微粒的半径，Vmax为为逃逸速度逃逸速度。 粒子的大小形状粒子的大小形状: 小于微米级的粒子能被光阱捕获不属几何光学范畴。 比光斑尺寸小的粒子推力 粒子的折射率粒子的折射率n和媒质的折射率和媒质的折射率nb: n nb.:梯度力总是指向焦点。是光镊捕获生物粒子的必要条件。 n nb.:梯度力反向焦点。粒子被推出光场。捕获光 1.波长的选择:避开操作粒子的波长吸收带。 可见光漫反射滤色片照明光影响。 避免。 红外光理想。紫外光波长短，光子能量大，容易引起光化学过程。捕获光 2.功率的范围：几毫瓦-几十毫瓦。 功率稳定。连续工作方式。 3.实用的光镊光源：

5、YAG1064nm激光器0.1-100mw. 固体半导体激光器：780nm. 680-950nm：适用波长。操作阱台 承载样品室 X-Y平面、Z（光轴）方向可调。 X-Y：微米或亚微米量级。 手动。步进电机驱动。 移动光束。光耦合器 光阱光源与显微镜光学系统耦合。 双色分束镜 作用：导入激光 性能：镀有对一定波长反射与透射的光学膜光捕获技术 聚焦激光束的辐射压： 实现操纵：聚合胶体、微胶囊、半导体粉末、细菌、病毒之类的粒子。光镊与其它技术的组合应用 1。激光解剖刀。 2。激光扫描共焦显微镜。 3。小球中介手柄。 4。多光阱组合应用。 5。扫描光阱与微粒排布。 6。双光束干涉微位移测量术（光阱干

6、涉仪）光镊论文译文 一。单光束梯度力光学阱捕获电介质粒子的实验观察。 二。辐射压力作用下液滴的光学悬浮 三。几何光学模型下的光阱稳定性的理论计算和实验研究。 四。红外激光捕获与操纵单细胞 五。光学。 发明专利申请号： 00112403X 专利申请日期： 2000.07.15“光的力学效应测量光的力学效应测量”装置装置基本光路显微镜系统、种类、特性 显微镜的成像原理： 物镜、目镜(二级放大） 显微镜物镜的基本特性:线性放大率数值孔径 分辩率： A：显微镜物镜的数值孔径。 n:物空间的折射率。 ：物空间中显微镜的孔径角。 增大n-水、油等。高放大倍数-油镜。A2/AnAsinA显微镜种类 反射式显

7、微物镜、折反射式显微物镜、读数显微镜、测量显微镜、生物显微镜、倒置显微镜、体视显微镜、金相显微镜、偏光显微镜等。一体化。 实际光操控演示直观直观 生动生动 有趣有趣 微观光力学行为微观光力学行为实验 样品：酵母菌加水、红细胞、小碎冰、偏振晶体。 激光：红外、He-Ne激光等、光强。 光路：仪器、自建光路、调节。 操纵与捕获：调焦、平台X-Y方向、计算机鼠标。 拖动：半定量计算 1 ，2光源与耦合器光源与耦合器 3 反射镜反射镜 ，4 分束板分束板 5 会聚透镜会聚透镜 6 ，7样品台样品台 样品池样品池 8 照明电源照明电源 9 激光滤波片激光滤波片 10 数码数码 摄影头摄影头 11 录像机

8、录像机 12 计算机计算机光镊仪的光镊仪的 光路图光路图 实验原理 光阱 光与物质的相互作用（激光应用）吸收：物质对光的吸收 光镊工作原理：利用物体对光的折射而不是吸收。 例：几毫瓦激光1m衍射斑1m小球蒸发 小球在水中：krWT8/3同样：升高一度 * * 1616 1616年开普勒年开普勒-光压的概念光压的概念 * * 1873 1873年麦克斯韦理论：光是电磁波年麦克斯韦理论：光是电磁波 * * 1895 1895年证实光有压力的实验探索：年证实光有压力的实验探索： * * 1960 1960年激光问世：例年激光问世：例10mw-1010mw-106 6达因达因 光力学效应研究的新时期光

9、力学效应研究的新时期 2 2 光光力学效应研究发展史力学效应研究发展史平方米达因/5 . 0/SFp太阳光： 列别捷夫实验装置列别捷夫实验装置* * 18951895年年 光压的实验证明光压的实验证明 俄国物理学家列别捷夫俄国物理学家列别捷夫 美国物理学家科尼尔美国物理学家科尼尔 美国物理学家霍耳美国物理学家霍耳 扭秤法扭秤法2 2 光光力学效应研究发展史力学效应研究发展史 显微镜原理 100倍油镜 激光器功率与模式 测微标尺使用 斯托克斯定律:速度 光阱力1970-1980光悬浮光悬浮 Optical levitation光光 -微小的宏观粒子微小的宏观粒子 光镊具有光镊具有pN量级的捕获力

10、量级的捕获力 与很多微米粒子，细胞，大分子之间的与很多微米粒子，细胞，大分子之间的 作用力相当作用力相当 -微粒间相互作用力的测量微粒间相互作用力的测量2. 2. 微小力的探针微小力的探针细胞膜弹性的测量细胞膜弹性的测量 /中科大中科大血液流变学研血液流变学研究的重要方向究的重要方向研 究 得 出PNHPNH(夜间阵发性红血球破坏症） 血红细胞膜弹性低于正常细胞膜的弹性。水稻单条染色体分选水稻单条染色体分选 首次分选单条染色体首次分选单条染色体 /中科大中科大原生原生质体的质体的融合融合单个活单个活力精细力精细胞研究胞研究细胞间细胞间相互作用相互作用抗体抗抗体抗原结合原结合强度强度分选分选单条染单条染色体色体细胞膜细胞膜弹性的弹性的测量测量分散分散体系的体系的研究研究纳米纳米生物学的生物学的研究研究微粒微粒的空间的空间排布排布教学教学研究研究光镊的应用 光镊的应用光镊的应用成果与前景成果与前景 DNA分子（分子（2纳米直径）的扭转、打结纳米直径）的扭转、打结， -分子操作达到相当高的水平分子操作达到相当高的水平为细胞内蛋白纤维相互作用等分子力学的为细胞内蛋白纤维相互作用等分子力学的研究开辟了新的途径。研究开辟了新的途径。 用于用于缝合细胞或神经的细微手术缝合细胞或神经的细微手术。 首次操控DNA /日，美日，美 光阱光阱-PN力的测量力的测量 /流体力学法流体力学法 流体力学