光的力学效应

PB07203015 孙轶玮

2010.03.25

【实验目的】

了解光的力学原理，亲自感受光的力学效应，加深对光有动量这一基本物理事实的认识，并对这一性质可能的应用有所体会。

【实验原理】

见预习报告部分 【实验设备】

光镊光源、光学耦合器、自动样品台、双色分束镜、聚焦物镜、样品池、聚光镜、照明光源、反射镜、数码摄像头、计算机主机、显示器

【实验步骤】

1. 配置样品。

2. 将样品注入样品池中，置于显微镜下。调节显微镜至CCD上清晰成像。

3. 开启激光，设定某一光强/电流值。使用光阱捕获样品中的一个微粒。记录捕获过程。计算阱域。

4. 操纵微粒横向运动。 5. 操纵微粒轴向运动。 6. 测量最大横向阱力。

7. 实验完毕整理仪器至初始状态。

【实验结果】

1. 现象观察：我们可以看到，当酵母菌接近焦点时，会受到焦点的光阱力的影响，有明显向光阱移动的趋势，最终将会被“吸”在焦点上。

2．阱域：

测量结果如下：

阱域坐标(0.1μm/像素) 测量次数 阱域半径(μm) xi 1 2 3 302 303 290 xf 281 279 280 2yi 112 110 101 2yf 132 131 128 R 2.90 3.19 2.88 其中，阱域半径为R0.1m(xfxi)(yfyi) 所以阱域半径为

11R(R1R2R3)(R1R2R3)m331 (2.903.192.88)m32.99m

3. 最大横向阱力： 测量结果如下： 酵母菌编号 时间(s) 逃逸坐标(0.1μm/像素) 逃逸速度(m/s) ti 5.8 tf 5.84 t 0.04 xi 219 xf 206 yi 148 yf 153 v 1 3.482105 3.482105 3.509105 2 4.6 4.64 0.04 234 221 145 150 3 3.68 3.72 0.04 205 191 134 135 其中，逃逸速度由v

0.1m(xfxi)2(yfyi)2t计算得到

酵母菌直径坐标(0.1μm/像素) 酵母菌编号 酵母菌半径(μm) xi 192 xf 226 202 279 299 281 303 yi 139 130 109 134 111 132 yf 120 185 150 126 150 127 r 1.95 r 2.07 1 209 279 2 259 281 3 260 2.17 2.04 1.95 2.18 2.05 2.05 2.06 其中酵母菌半径由r0.1m(xfxi)2(yfyi)22计算得到

r为每个酵母菌测量两次的半径平均值

温度:T13.1C 查表得到：

T10C时，1.308103Nm2s1 T15C时，1.140103Nm2s1

线性插值得到：

T13.1C时，

1.3081.140151.308101.140(13.1)103Nm2s11.204103Nm2s110151510

依据流体力学的公式，可以得到光阱力为：

f16r1v161.2041032.071063.482105N1.6361012

N

f26r2v261.2041032.051063.482105N1.6201012Nf36r3v361.2041032.061063.509105N1.64110所以，f 【误差分析】

本实验中，主要对误差进行定性分析

12

N11(f1f2f3)(1.6361.6201.641)1012N1.6321012N33

1. 本实验的全部测量过程都比较粗糙，测量主要通过对电脑采集的图像取点读数完成，

因此，对于酵母菌半径的测量，以及对于逃逸速度的测量精度都较低。尤其对于逃逸速度，很难判断酵母菌在图像中的哪两帧达到逃逸速度。每帧0.02秒也使得精确度不够，从实验上看，酵母菌逃逸的时间应该比0.04s略短。

2．没有考虑到酵母菌本身对于特定光波的吸收：

实验原理中仅仅考虑了光与非生命微粒的相互作用机制，对于特定的生物，需要考虑其对于特定波段的光的吸收作用。本实验中为了简单，没有考虑这部分作用，因此会对结构有所影响。

3．关于粘滞系数的计算：

采用线性插值计算了实验温度条件下的粘滞系数，线性插值本身有一定的误差，而且粘滞系数随温度的变化对于线性的偏离没有考虑。也许从粘滞系数和温度关系的拟合图像上能得到更符合实际情况的粘滞系数数值。

4．纵向移动的影响：

实验中，很难保证找到测量平面内的酵母菌，也很难保证酵母菌完全在测量平面内移动。所以在计算阱域的时候，纵向移动会带来一定偏差。

5. 对于阱域以及逃逸速度的测量，都需要找到酵母菌运动变化的临界点，而确定方式都是通过观察电脑图像得出，这就限制了测量的精度。

【实验体会以及对实验的改进建议】

1. 根据对文献的调研，我了解到还有另一种瑞粒子的捕获过程，与这种大的微粒不同，希望老师再以后的实验中可以补充相关的知识。

2．实验给出了光的动量的一个很形象的直观了解，加深了我对光具有动量这一基本事实的直观认识。

【思考题】

1. 光捕获微粒，基于什么原理，如何从实验上实现。

答：光捕获微粒基于光有动量这一基本物理事实，由于动量守恒，光波在微粒内折射后，将动量传递给微粒，从而给微粒以相应的力的作用。在有梯度的光场内，由于受力不均，微

粒将向某个方向移动。若设定好光的入射以及梯度，可以使粒子受到一个指向光焦点的梯度力，从而将微粒约束在光焦点上。

在具体实验中：激光束经过光学耦合光路扩束整形后，入射到双色分束镜上，被反射至物镜聚焦在样品池中形成光阱。移动载玻片，通过显微镜可以进行捕获和操控过程的观察。照明光通过聚光镜照明样品池，池中的微粒被捕获和操控的图象经物镜后，透过双色分束镜，被反射镜反射到CCD数码摄像头，由显示器显示。通过数码摄像头获取的信息可以由计算机采集和处理。

2. 说明影响光阱捕获效果的因素。

答：(1). 三维光学势阱需要用高度聚焦的激光束形成的激光微束才能产生足够的梯度力来捕获住微粒，这也就是说，三维光学势阱本身对于激光束的特性有一定要求。 (2). 激光微束捕获微粒要求粒子折射率大于介质折射率。在一般情况下这是满足的，要求我们对于粒子的光学特性要有一定掌握，使得粒子能够被捕获。另外，由于温度扰动以及高能的激光对于温度的扰动，介质的折射率会发生一定变化，这也要考虑进去。 (3). 捕获过程是否稳定，还涉及到光束以及生物粒子各自的一些性质。比如激光微束的束腰半径、波长、功率，生物微粒对于光的吸收等。

(4). 生物微粒的浓度：在实验初始阶段，我们的酵母菌溶液调的比较浓，容易在光焦点出形成大量的酵母菌聚集，不利于观察和分析。因此，要根据实验需要，适当调整生物微粒的浓度。

3. 试定性说明强会聚的光束对于实现Z方向捕获的作用。

答：对于Z轴，其情况相近与原理中描述的xy平面的情况。对于在观察平面下方的微粒，会由于拉力被拉到观察平面，而对于高于观察平面的微粒，则会被推力推到观察平面上。同样是基于光的动量传递。考虑到散射力和回复力的平衡问题，一般的光束很难保证在Z方向的稳定捕获，环形光束则比较好。这一点在思考题第六题详细说明了。

4. 若光阱同时捕获了2个球形微粒，则这2个微粒最可能以什么形式排列，为什么？ 答：两个微粒都将被光阱力捕获到观察平面内，然后紧密排列。对于实际的实验情况，我们观察到两个酵母菌会近似融合成一个更大的酵母菌，其中心在光焦点上。

主要是由于光场的梯度性，要求微粒集团必须中心处于光焦点，而且其位型应满足一定对称性。

5. 试说明光阱技术的特点，你将利用光阱技术在哪些领域开展工作。 答：光阱技术有精确定位，亚接触，无损伤的特点。

现在光阱技术广泛应用于生物领域，由于其亚接触，无损伤的操作特点，适用于生物活

体细胞和细胞器的研究。具体的应用有：分子马达的研究，生物微粒力学特性的测量等。 在物理学上，应用驻波产生的光阱可以研究随机分布的二维胶体微粒的相位变化以及结晶现象。

在化学上，通过与吸收光谱技术以及荧光光谱技术的结合，可以应用于微量化学元素的研究。

6. 现在我们使用的光源为高斯光束的激光，考虑用一种环形光束的光源，在距轴心距离r内光强为零，试定性说明环形光束光阱对比于高斯光束光阱的优劣。

答：激光光阱捕获技术在沿光传播方向的捕获效果往往较差，这是由于回复力很难与散射力平衡。回复力主要来源于光在微粒上的折射引起的动量传递，在微粒边缘上光的折射强而在中间折射弱。散射力则由光的前向冲量引起。对于一般的基模高斯光束，光的中心功率高而周边小。如果使用环形光束光阱，则可以保证回复力的有效产生和散射力的减小，提高捕获效果。