光学镊子的原理

Question

如题所述

Answer 1

我们知道,光源同时具有热效应和辐射效应。对普通光源而言,由热效应所产生的压力比由单纯动量交换产生的辐射压力大几个数量级,因此很难获得足够的辐射压力。激光的出现改变了这一状况,使光的辐射压力得到充分体现。同时激光光束的截面分布具有简单确定的数学表达,便于进行理论处理,使光阱和光悬浮的研究成为可能。激光镊子是利用激光与物质间进行动量传递时的力学效应形成三维光学势阱。它的基本原理如图。
当一束强汇聚的高斯光场作用于透明粒子时,如果粒子的折射率n1大于周围介质的折射率n0,梯度力Fa, Fb 会把粒子推向光场的最强处(轴心). 在光束传播方向上光对粒子不仅会产生轴向的推力,还会产生逆轴向的拉力,从而实现捕获。这里光学捕获是通过透明介质微粒与光子发生动量交换而完成的。这与带电粒子受静电场库仑力或交变场的梯度力而实现的电动捕获不同,与金属粒子或超导体在磁场中的磁悬浮也不同。
1970年,美国电报电话公司贝尔实验室的阿什金教授采用一束高斯激光,成功地在垂直于光的传播方向上束缚了悬浮在水中的聚苯乙烯微粒,这一实验将辐射压的应用从原子量级扩展到了微米范围,奠定了光镊的研究基础。之后他又设计了双光束光学陷阱,初步实现了光镊的雏形。