基于单光束梯度力光阱原理的微粒捕获装置研制.pdf

第 卷第 期大学物理实验.年 月 .收稿日期:基金项目:年沈阳建筑大学省级大学生创新创业训练计划项目文章编号:()基于单光束梯度力光阱原理的微粒捕获装置研制任光信苏锡国李文熙(.沈阳建筑大学 土木工程学院辽宁 沈阳.沈阳建筑大学 理学院辽宁 沈阳.沈阳建筑大学交通与测绘工程学院辽宁 沈阳)摘要:光镊技术具有无损伤、快速灵敏地捕获微粒的特点已被广泛应用于物理学、生物传感和化学等领域但由于光镊是一种新兴技术光学理论抽象繁琐且光镊系统结构复杂实验演示仪器贵重因此在现有物理实验课程教学中光镊实验演示仍然十分困难 本文聚焦于光镊在大学物理实验教学课程中的痛点问题基于光镊的理论方法提出了一种基于单光束梯度力光阱原理的微粒捕获装置通过实验演示和研究分析得出实验现象符合光镊捕获微粒的研究规律且能够观察到明显的粒子捕获过程的结论 基于单光束梯度力光阱原理的微粒捕获装置体积小巧经济实用适合在大学物理实验课程中推广应用关键词:单光束梯度力微粒捕获光镊实验演示中图分类号:.文献标志码:./.大学物理实验投稿网址:/.自美国科学家 等 年首次利用单光束光阱原理捕获微粒以来光镊技术以其非接触、无损伤地操纵活体物质可快速灵敏地捕获微粒的特点已被广泛应用于细胞生物学、物理学、化学和生物传感等众多学科领域同时由于光的无形和穿透特性使光镊可以在保持细胞自然生活环境的情况下对其进行捕捉与操控而不会对细胞产生机械损伤也不会对细胞的周围环境产生污染与干扰 因此近 年来微纳米颗粒或生物细胞的光学操纵一直是研究热点 年李宝军等利用亚微米锥形光纤探针实现了高度灵活的粒子捕获、驱动和精确排列 年 等利用模分复用技术实现了单光纤捕获系统中被捕获微粒的轴向捕获位置动态调整 年张珂等提出一种梯度折射率光纤镊子 通过近年来的不断研究其理论不断得到完善形式也得到了拓展例如出现了单模光纤微探头式光镊、多光束光镊等 年李宝军课题组不仅利用单光纤实现了对多个微粒的捕获还利用错位的两个单模光纤操控、偏转 和 拉 伸 多 个 细 胞 年 等人利用光子晶体模式复用技术操控多个微粒使得粒子的旋转既可以通过 模式的切换实现 也可以通过输入光的偏振旋转实现 至此光镊技术的研究一直带有深奥和新颖的特点要想将其实际应用于大学物理课堂依然存在很大的阻碍在大学物理教学课程中大学物理实验是最基础的实验是学生从感性的物理世界通向探索可控的物理规律的一座桥梁是通向各专业实验的起点也是培养学生科学研究素养的重要环节很多物理实验过程是人类对物理知识的获得及浓缩再现的途径能够引导学生掌握理论与实验科学有机结合的思想在培养学生科学素养、创新能力等方面具有明显优势 然而由于光镊实验装置的费用昂贵和精度性要求高导致其很少出现在实际物理实验中 因此本文提出一种新型的基于单光束梯度力光阱原理的微粒捕获装置通过开展实验观察和分析实验现象对装置的可行性进行验证希望通过该研究能够促进光镊在大学物理教程中的教学简便化 设计原理与方法.光镊原理光镊是利用光与物质间的动量传递产生的力学效应而形成的三维梯度力光势阱其捕获过程即为动量守恒原理的体现 由于聚焦激光束的束腰附近存在强大的梯度力微小颗粒将被稳定捕获在聚焦光束的束腰位置产生的势阱内从而实现对粒子的三维捕获其中微粒受光束照射的受力状态如图 所示图 光束照射粒子受力示意图针对捕获粒子的尺寸大小不同当粒子的尺寸远远大于光波长时可利用几何光学模型来分析粒子的受力情况图 光镊原理示意图如图 所示一束激光经过高数值孔径物镜聚焦后射在折射率大于周围物质折射率的介质微粒光线在介质球内经过两次折射后光子动量发生了变化这种变化反作用于微粒表现为对微粒的反作用力这种由于光强分布不均匀而产生的力称为梯度力该力的大小与光强梯度成正比按式()计算()其中为入射到粒子上的光强 为真空中的光速为粒子周围介质的折射率 是粒子与环境介质折射率的比值如图 中 和 所示其合力 的方向指向光强最大处总是使小球趋向激光焦点最终将导致粒子稳定在激光焦点位置实现稳定捕获同时小球还受到散射力的作用散射力来源于散射过程中光与物质的动量交换方向沿着光的传播方向此力总是使小球沿着光束的传播方向运动散射力可根据式()计算得到:()其中 为波长 为粒子半径光镊的总捕获力为梯度力与散射力之和按式()计算:()其中 为微球周围介质的折射率 为入射激光光束的总功率 为光速 为无量纲参数称为捕获效率用来表征捕获光束与粒子之间的相互作用力图 强聚焦光束梯度力示意图如图 所示由于一部分光子会被反射所以微粒还会受到向下的力这时强聚焦的激光束就会产生足够大的光场梯度力左上与 右上的合力 指向焦点处抵消所受到的向下的力实现稳定捕获图 小球势能趋势图从能量的角度来说如图 所示小球在该处的势能最低形成了一个“势能阱”小球被其牢牢束缚在激光焦点位置附近 这就是激光光镊技术的基本原理即单光束梯度力势阱也称之为光阱大 学 物 理 实 验 年 实验部分.仪器基于光镊原理首先利用 等建模软件设计装置的大小、形状、各截面尺寸和连接方式以此初步建立实验装置的模型以便于依据模型尺寸购买材料和准确制作模型实物从而降低实验成本和提高研究效率 其中光镊演示实验装置模型图如图 所示()模型正视图()模型俯视图()模型三维图()模型侧视图图 光镊演示实验装置模型基于上述模型原理图依据需求购买电路板、电线、电池、螺钉等材料并利用三维立体打印机器通过编程、建模等程序自行设计模型骨架最后在准备好模型骨架和电路板之后利用螺钉将电路板与骨架连接通过线路连接电池与电路板 由于激光器在暴露下会对眼睛造成即时损伤直视激光可以给眼睛带来永久的伤害为避免激光引起安全事故使用绿色的瓶子安置在激光的发射路线上形成密封状态同时在实验中佩戴激光防护镜模型实物如图 所示()实物正视图()实物俯视图()实物仰视图()安全防护镜图 实物图.工作过程首先激光器发射激光经过准直透镜得到平行光束此平行光束被凸透镜汇聚射出瓶盖里还有一个黑色且能耐高温的石墨棒做的圆锥激光打在这个圆锥上被分散以减小威力然后在瓶盖内部倒齿状的侧壁上多次反射安全耗散掉能量 第 期任光信等:基于单光束梯度力光阱原理的微粒捕获装置研制且尽可能地不再让光射出这个区域 光路结构如图 所示图 光路示意图将聚焦的光斑打在样品室中将聚焦的焦点调整在样品室中间以便用于产生光势阱捕获微粒 将记号笔的笔尖从样品室侧面小孔伸入与激光束接触便可以直接观察到微粒动态捕获过程在接通电路的初始状态下可以明显看到实验装置的激光光路且初始态的光路中无微粒光点如图()所示 平凸透镜采用直径.、焦距 未镀膜使其恰好处于笔尖从样品室小孔中伸入与光路接触的位置附近此时开始实验 将记号笔从样品室的小孔伸入令笔尖与激光光路相接触可以看到接触处发出明显红色光团此时激光照射到笔尖激光光子与笔尖上的油墨相互碰撞进而发出强光现象如图()所示()实验初始状态()实验开始图 实验初始状态图移开笔尖后正式开始实验使记号笔不与激光光路相接触然而光路中仍出现了一些红色光点光点即为光路中的油墨微粒现象如图()所示 保持笔尖远离激光光路的情况下继续观察实验现象并得到如图()所示的现象即两端远离焦点处的激光光点逐渐向焦点处移动但仍有待继续观察()实验现象()光点移动()光点集中于焦点处图 实验观察图在上述保持笔尖远离激光光路的情况下继续观察光点移动情况得到图()所示情况即两端光点明显向焦点处移动最后光点趋向集中于焦点处 在笔尖远离激光一段时间后由于激光管功率有限光路几何形状并不理想所以颗粒容易逃逸光镊能控制住颗粒的时间非常有限因此光点会逐渐消失激光恢复成一条红线 结 语本文提出了一种基于单光束梯度力光阱原理的微粒捕获装置通过实验研究分析得到的实验现象符合光镊捕获微粒的研究规律并得出:微粒在实验装置中的聚焦激光束总是向焦点处移动可以观察到装置中明显的粒子捕获过程而在实验中散射力总是使微粒沿着光束的方向运动梯度力则是将微粒推向光强最大的地方由于实验中光束总是使微粒趋向焦点处因此得出实验装置中光的梯度力大于散射力且本装置制作成本低廉、可操作性强适于推广该实验装置作为大学物理实验演示装置 本研究对大学物理实验教学中光镊知识有一定的推动作用满足现代科学发展下的大学物理实验教学的需求大 学 物 理 实 验 年参考文献:.():.李银妹操传顺崔国强.近十年来光镊研究的进展.科学通报():.():.():.李银妹.光镊 光的力学效应的研究及应用.江西科学():.():.():.():.():.谈爱玲史锦珊.单模光纤微探头式光镊技术.激光与光电子学进展():.():.():.():.刘海王家理尹跃.应用型本科高校大学物理实验教学改革思考.大学物理实验():.王倩张建祥高国棉等.“新工科”背景下大学物理实验教学中课程思政的探索与实践.大学物理实验():.吴智辉莫华陈朝旺.光镊技术及其在染色体研究中的应用.光学仪器():.(.):.:第 期任光信等:基于单光束梯度力光阱原理的微粒捕获装置研制