CN1334443A - 激光的力学参数测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够演示光力学性质的激光力学参数测量方法及其装置。本发明参数测量方法是将一束连续TEMoo模激光束经过耦合元件射入一个强会聚效果的透镜,产生强光场梯度分布在样品室内形成光阱,使微粒在光阱中沿X－Y平面运动和沿光束方向运动,改变样品室移动的速度,就可得出微粒在光阱的作用下通过媒质的临界回复力。本发明装置由循环操作器、激光器、显微镜、CCD摄像头、录像机和监视器构成。本发明的优点是:采用单光束力光阱,设备简单可靠。辅助微流量装置,可实现对力的定性了解和半定量测量以加深学生对光阱力的直观认识和PN量级的概念。整套设备简单造价不高,易于普及。

Description

激光的力学参数测量方法及其装置

本发明涉及激光的力学参数测量领域

光压概念的提出可以追溯到开普勒和牛顿时代，而光压的存在和麦克斯韦对辐射压力的理论预言则直至本世纪初叶才被实验证实。激光作为极高亮度相干光的出现使光压研究发生了革命。在70年代初，人们开始对激光辐射压力进行全面和深入的研究。特别是对原子在各种不同条件下所受辐射压力的性质和机理进行了理论探讨和实验观测，从而发展了诸如原子束的激光偏转、激光冷却、光学粘胶及原子喷泉等实验技术，发展激光冷却的技术已经可以使物质的温度降低到24PK！光压是在光子与微粒发生动量传递时产生的，由于原子所受辐射压力是在原子与光场发生相互作用如原子发生共振或近共振量子跃迁时出现的，因而这类问题属于量子光学领域。朱棣文和他的同事利用光压原理发展了用激光冷却和幽禁原子的方法，获得了1997年度诺贝尔物理学奖。过去二十多年来，与原子的激光冷却等热门课题同时开始，但不为人们注意的另一类有关光压的研究也在持续地进行，这就是激光对于介观微粒的辐射压力研究，包括宏观介质微粒的光捕陷、光悬浮和光操纵。这类光压之产生不涉及构成介质材料的原子或分子的内部能态的变化，而是在宏观微粒作为一个整体对于入射光波的经典散射过程中出现。所处理的微粒直径在数十纳米至数十微米之间，对于可见光而言，相当于由瑞利散射(微粒直径远小于光波长)到米氏散射(微粒直径接近或大于光波长)的整个范围。

二十余年来对这一课题的规模不大但从未间断的研究已取得丰硕的成果，研究者搞清了各类光捕陷、光悬浮的物理原理，对光阱的特性及其形成条件做了定量分析，有关实验技术发展更快，除实现了液体、空气及真空中各种材料微粒的光悬浮之外，还发展出“测力光压光谱”、“激光捕陷光谱”及“光阱干涉仪”等新技术，分别用于介质表面波共振、表面化学结构及分子生物学研究。

由于光捕陷、光悬浮和光操纵在基础物理学、大气物理、生命科学、化学、精密测量及技术领域等方面具有重要的应用价值。但至今为止，在高等光学教程中尚无表现光的力学效应实验的配套实验，其主要原因是没有相应的实验设备。

本发明的目的在于提供一种能够演示光力学性质的激光力学参数测量方法及其装置。

本发明采用如下方式实现。

本发明的测量方法是将一束连续TEMoo基模高斯激光束经过耦合元件射入一个强会聚效果的透镜，产生强光场分布在样品室内形成光阱，移动样品室，使微粒在光阱中沿X-Y平面运动和沿光束方向运动，改变样品室移动的速度，就可根据公式F＝6πηrV得出微粒在光阱的作用下通过媒质的临界粘滞力。

实现本发明的测量方法的装置由循环操作器、激光器、显微镜、CCD摄像头、录像机和监视器构成，循环操作器由样品容器、微流量计、样品池、样品回收池构成，样品池放在样品台上，显微镜的目镜与物镜之间设置有双色分束器由光学耦合器全反射镜和双向分束板构成，录像机的一端与监视器相连，另一端与CCD摄像头相连，CCD摄像头的另一端接入显微镜的多通道接口。

本发明所依据的原理是：

1.光不仅携带能量，而且也携带动量。由于动量的传递，光会对被照射的物体施加一定的力，这种由于光辐射对物体产生的力常常表现为压力，因而称之为辐射压力或简称光压。

根据牛顿力学，作用在物体上的力就等于光引起的单位时间内物体动量的改变，由此可得作用在物体上的力为

F＝dP/dt

其中P是光的动量，t是时间。如果光束作用的面积为S，则单位面积受到的力即光压强p为

P＝F/S

2.单光束梯度光阱

拟用单光束梯度光阱，它是由一束强会聚的激光束构成的，无论从理论和实际上看，它都是最简单的一种激光势阱。在瑞利散射范围内，捕获的稳定性是梯度力和散射力平衡的结果，梯度力总是把微粒拉向激光的强聚焦点处，而散射力则努力把微粒从强聚焦点处沿光线的入射方向推跑微粒。实验已证明单光束梯度光阱可以捕获得和操控微米量级的微粒和许多生物微粒诸如活细胞及细胞内的细胞器。

附图1是对介质小球捕获的定性描述。一对典型捕获得光线a和b经折射后产生的力Fa和Fb，它们的矢量和F总是沿轴向或横向指向介质小球的捕获焦点f处。

在假设介质小球的表面没有反射的情况下，我们用一对会聚的光线a和b产生的合力来描述光阱作用在介质球上的力。在这个假设下，力Fa和Fb是完全由于折射产生的且方向指向动量改变的方向。从上图中可以看出，当小球的球心0和焦点f间有一事实上位移时，Fa和Fb的合力F总是指向焦点f处，是一个回复力，从而形成稳定光阱。

光镊是依靠光的梯度力形成的。对于用一束光造成的光镊来讲，只需要一个三维的光学梯度场，使光最强点位于光束中心就能够实现。这种梯度场存在于任何激光焦点附近，光束的会聚度越大，产生的光强梯度也越大。当梯度大到保证焦点附近的梯度力大于散射力时才能形成一个三维光学势阱而稳定地捕获生物微粒。由此，一个光镊可以由一束激光通过一个短焦距透镜来实现。例如用一个高数值孔径的显微物镜，将激光会聚成波长量级的衍射极限光斑，产生足够强的光场梯度从而完成一个单光束梯度势阱。

附图2是一个以倒置显微镜为基础的光镊装置基本框图。它包括捕获光源，捕获聚焦镜，一个合适的样品池，一套调节光阱与待捕获微粒间距并对微粒进行操作的装置，实现各配件与显微镜光学耦合的器件，以及一套观察和记录光镊对微粒的操作过程，阱中微粒的运动状态的瞬息变化的实时监测系统。

捕获聚焦镜是能够把非均匀光场的激光会聚成衍射极限光斑并实现对微粒捕获的会聚透镜。捕获聚焦镜一般都采用高倍显微物镜。因为高倍显微物镜具有高的数值孔(N.A)，即高的空间分辨率，同时产生强的聚焦效果即产生强的光场分布梯度，从而满足形成三维光学阱的需要。如N.A＝1.25的100X物镜就是较理想的捕获聚焦镜。选择显微物镜的另一个重要原因是，以显微物镜为核心的显微镜的光学成像系统正是光镊微米量级操作的显微观察所必备的装置，所以，成熟的光学显微系统为形成光镊提供了十分有利的基本设备。通常光镊是用一束激光通过一台显微镜而构成的。

高倍率大数值孔径的物镜在实现强光场梯度的同时，也具有高的放大倍率，这显然有利于光镊操纵和分辨物体精细的结构。

3.操作阱台

阱台，也就是显微镜中的操作台，它用于承载样品室，操作台在X-Y平面和沿光轴方向都可以连续地调节，所以同时也可用来调节光阱与待捕获微粒之间在三维空间的相对位置。

由于光镊作用的微粒都是在微米量级，相应地要求三维阱台的操作精度在微米或亚微米量级。普通的显微操作台在Z方向精度为2微米(即调焦精度)，在X-Y平面的地捕获微粒及可捕获微粒的尺寸范围。而光学势阱仅形成在梯度力与散射力彼此平衡的地方。

4.阱力的计算与测量

实验上捕获力的测量方法是基于找出光镊操控的微粒在液体中克服粘滞阻力所达到的速度，即光阱力和粘滞阻力达到平衡时的速度。

该粘滞阻力由Stokes公式给出：

F＝6πηrV

其中η为粘滞系数，r为微粒的半径，V为运动速度。利用循环的液体流速间接地确定一个微粒从光阱逸出时的速度，可以给出捕获力与光功率的函数关系，即微粒在此状态下所受到的作用力F。

光场力学性质研究不仅对认识光的本质具有重大学术意义，而且它也是一个跨学科的研究领域，为物理学、计算科学、化学研究提供了非常重要的基础知识，新的研究对象和实验手段。

通过光力学效应实验，可以使学生在学习期间掌握一些基本规律和现象。激光问世至今人们在研究激光与物质相互作用上注意为大都集中在非线性光学效应的现象，如光谐波、光混沌、多光子效应，瞬态光学效应等，随着更多的应用场合显示出的光的力学效应并提出激光力学这一概念，微粒因此建立演示光力学性质的实验可以提供人们微粒一种全新的了解自然本质的方法和发现未知自然规律的手段。

本发明的优点是：

1.采用单光束力光阱，设备简单可靠。

2.辅助微流量装置，可实现对力的定性了解和半定量测量以加深学生对光阱力的直观认识和PN量级的概念。

3.整套设备简单造价不高，易于普及。录像-TV显示，实时监控，可供多人观察、分析、微粒示教，并进行存档，录像机的慢放功能可以在时间上分解各种动态演化过程。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图1，对介质小球捕获的定性描述。一对典型捕获得光线a和b经折射后产生的力Fa和Fb，它们的矢量和F总是沿轴向或横向指向介质小球的捕获焦点f处。

附图2，激光的力学参数测量装置示意图。其中，1-光镊光源，2-光学耦合器，3-全反射镜，4-双向分束板，5-会聚透镜/高倍物镜，6-样品台(可三维运动)，7-循环样品池，8-样品照明光源，9-激光滤色片，10-CCD摄像头，11-录像机，12-监视器。

附图3，循环样品系统示意图。其中，13-循环用样品池，14-医用输液瓶，15-微流量计，16、17-输液管或细导管，18-液体回收池1，19-样品注入通道，20、21-管夹。

附图4，力的参数测量示意图。

参见附图2，显微镜选用带有荧光通道的显微镜；光镊光源采用单横模(TEMoo)半导体激光，波长为780nm，连续输出功率为60mw；光学耦合器2为一个可变焦扩束望远镜，可调节光阱阱位与显微物镜的成像关系，使操控的微粒与物平面保持一致，光学耦合器2位于光镊光源前；全反射镜3对780nm波长在45°角时全反射；双向分束板4位于会聚透镜/高倍物镜5与激光滤色片9之间，对780nm对可见光透过的45°反射；会聚透镜/高倍物镜为NA0.6～1.25高倍高数值孔径物镜；样品台6可X、Y、Z三维移动手动操作；循环样品池7位于样品台6上；样品台6上方是样品的照明光源8；激光滤色片9为780mm滤光片，透过可见光；CCD摄像头10为敏通1881黑白面阵CCD；录像机11为J25录像机，带有续放功能；监视器为20时监视器或彩电。

该装置的特点是：1.固定光束，样品台成X、Y方向运动，可实现微粒在X-Y平面操控。2.纵向调节物镜可控制微粒沿光束方向运动3.固定样品池与光束采用液体相对光束的运动，实现临界力的测量4.利用录像机正常速度记录，然后以微粒帧/s的慢放功能，实现对阱域，阱力的测量。

参见附图3，循环用样品池13的内池尺寸约50×20×1mm，除了一个进、出口、外加一个样品注入通道，医用输液瓶14选用500ml～1000ml，液体回收池18选用100ml。

参见附图，一束连续的TEMoo模激光束经过光学耦合元件2.3.4射入一个强会聚效果的透镜产生强光场梯度分布在样品室内形成光阱。光学元件2用于调节激光束的会聚角保证光阱阱位与物平面一致，使被捕获微粒成像清晰。一旦微粒被子光捕获，在X、Y、Z方向操控样品(光束相对不变)应实现了微粒X-Y沿平面的运动和沿光束方向的纵向运动。

改变平台的运动速度，即可根据流体力学Stokes公式计算克服微粒和液体粘滞力光阱控制的最大速度，也应是测量了从小球在光阱的作用下通过媒质的微粒临界粘滞力。

            F＝6πηrV其中η为液体粘滞系数，r为微粒的半径，V液运动速度。

光阱力学参数的测量，根据            F＝6πηrV    (1)已知η、r，求V

           V＝s/t              (2)附图4中“+”为光阱所在位置当微粒距光阱S距离时开始向光阱“+”处运动、记录微粒运动所需时间t＝ts－t0。

(一)测量出S代入公式(1)求得平均速度。

(二)已知液体的粘滞系数和微粒半径，可以代入公式(1)求出光阱作用于小球的受力的大小。

(三)图4中的S便为在一定激光功率下阱域的半径，因此阱域为的“+”标志为中心，以S为半径的范围。

(四)改变流速V则可在获得微粒在某特定速度下所受到的光阱力。

(五)当以某速度运动时，微粒逃逸出光阱，此速度即为逃逸速度，即测得光阱克服微粒粘滞力的临界作用力一逃逸力。

(六)确定小球半径和其的速度运动，则可通过Stokes公式获得对未知液体粘滞系数的测量 $\mathrm{\η}=\frac{F}{6\mathrm{\π\γV}}$ 其中F后在已知η的标准液下事先标定。改变液体或微粒折射系数n，在同样的光功率下可获得折射系数对捕获力的影响。

Claims (2)

1.一种激光力学参数测量方法，其特征在于将一束连续TEMoo模激光束经过耦合元件射入一个强会聚效果的透镜，产生强光场梯度分布在样品室内形成光阱，移动样品室，使微粒在光阱中沿X-Y平面运动和沿光束方向运动，改变样品室移动的速度，就可根据公式F＝6πηrV得出微粒在光阱的作用下通过媒质的临界回复力。

2.一种实现上述激光力学参数测量方法的装置，其特征在于它由循环操作器、激光器、显微镜、CCD摄像头、录像机和监视器构成，循环操作器由样品容器、微流量计、样品池、样品回收池构成，样品池放在样品台上，显微镜的目镜与物镜之间设置有双向分束器由光学耦合器全反射镜和双向分束板构成，录像机的一端与监视器相连，另一端与CCD摄像头相连，CCD摄像头的另一端接入显微镜的多通道接口。

Images