并应用再光学嵌住力的模拟上

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1、光電子學期末報告授課教師：郭艷光教授班級：物研二學生：林士傑學號：8822207內容簡介:一•緒論二.研究歷史三.理論四.裝置架構五.應用（內嵌式光鉗顯微鏡）六.進展七•結論八.參考資料光學嵌住緒論所謂「光學嵌住(OpticalTrap)」,是指利用光子動量轉移所造成的作用力對微小物體施力，從而嵌住、操控這些微粒。光學嵌住自從Ashkin於1970年首次發表論文以來，經過30年的發展，有關光學嵌住的理論模型已陸續被建立，並應用在光學嵌住力的模擬以及細胞生物學、分子細胞學、微機械與微測量技術甚至低溫物理、量子物理等領域。由於光學嵌住現象是雷射光與微粒之

2、間複雜的交互作用，若要仔細探究成因，則雷射光的波長、強度分佈、聚焦角度以及微粒的形狀、折射率、吸收率、和周圍介質特性等都具有決定性的影響。因此，尚未有任何一種可廣泛適用所有狀況的光學嵌住模型；目前為止被提出的理論模型主要有兩種：(I)「幾何光學模型(Ray・OpticsModel；ROModel)J(II)「電磁波模型(ElectromagneticsModelEMModel)JO前者以幾何光學與光子動量轉移為基礎，適用於微粒直徑較光波波長大的情況；後者根據Maxwell電磁波理論與微粒極化之原理，適用於微粒直徑較光波波長小之情況。研究歷史自從愛因斯

3、坦為了解釋光電效應，提出「光子」模型以來，伴隨著量子力學與量子電動力學的發展,光壓的概念已被廣為接受。1969年Ashkin經過估算，認為聚焦之雷射光極有可能推動數pm大小的微粒，乃利用氫離子雷射聚焦至水中，並在水中置入直徑0.6至2.5pm的透明塑膠，結果發現這些微粒果然被沿著光軸加速推離。另外，除了光軸方向上的推力，同時還發現一個意外現象：接近光束的微粒也會被「橫向」吸入光束中，再被推離。之後改用氣泡與液滴重做實驗，歸納出一項結論：光束對折射率比周圍介質高的微粒具有橫向吸力，但對折射率比周圍介質低的微粒具有橫向推力。這種橫向作用力的存在，使Ash

4、kin嘗試將兩束雷射光相對入射、聚焦於同一處，希望在兩束雷射的軸向作用力相抵消之處，產生一個可以將微粒橫向吸入並嵌住不動的位能井(PotentialWell)。實驗結果相當成功，成為日後「雙光束嵌住(Deal-BeamTrap)」的雛形，同時，這也是「光學嵌住」的首次實現。1986年，又發現將單束雷射光高度聚焦，也可以在焦點處產生與光進行方向相反的軸向吸力，加上原有的橫向吸力，可將微粒穩定嵌住。這種單束雷射的光學嵌住，又稱為「光鉗(OpticalTweezers)」。理論究竟無形的光線如何能「嵌住」物體？利用光束要怎樣操控物體？其實若將一束由下往上射

5、入的雷射光聚焦，並將一個直徑約數“m的塑膠微粒置於焦點處，則不斷朝上發射的光子在撞擊微粒的同時，將施予一個微弱的作用力。若微粒的質量夠輕、光子流的密度夠大，那麼這個微粒就可能因為光子的作用力而漂浮在空中。更進一步，如果利用兩道相對入射的雷射光對準、聚焦在微粒上，當兩束雷射的強度相當、光子之作用力相等時，將可「夾住」微粒，使我們可以藉著操縱雷射而任意移動微粒，這種現象即為「光學嵌住」。FocusedLaserBeamI(a)OpticalLevitation(b)DualearnTrap而雷射光鉗的基本概念則是將一道雷射光束經透鏡聚焦後，在雷射聚焦處形

6、成一穩定的位能井。於是，在此焦點周圍的微粒子就會被吸引到焦點，而達到捕捉與操控的目的。雷射光作用力（光子動量變化）顯微物鏡反作用力反作用力合力微粒子（透明小珠）作用力（光子動量變化）如圖二，我們可利用簡單的幾何光學與動量變化產生力的概念來解釋雷射光鉗的工作原理。當光線由一介質中進入到另一不同介質中時，光會發生偏折的現象，也就是所謂的折射。如果將光線想像成是由光子所組成，當光線發生偏折時，光子的動量即產生改變，而動量改變即反應有作用力的存在。所以當雷射光線經過透明小珠子(Bead腹發生偏折，此光線偏折力就由透明小珠子提供，也就是說透明小珠子對雷射光子

7、施一作用力使之偏折。又由牛頓第三運動定律所描述之作用力與反作用力的關係知道，雷射光子亦對透明小珠子施一反作用力，而這些反作用力的合力便是雷射编夾的捕捉力。因此，一道平行的雷射光束，經過透鏡聚焦後，若有微小的透明物體在其焦點附近時，由於左右偏折對稱的關係，其合力指向焦點，就會產生一個類似彈簧力的恢復力，將這個微小物體往焦點拉，並在焦點的位置達到力平衡。因此，雷射光鉗的正式名稱為「單束光梯度力阱(single・beamopticalgradientforcetrap)J,可以用來抓取並移動從數十奈米到數十微米的微小粒子。裝置架構CCD攝影機/雷射光鉗基

8、本上是由一雷射光源、反射鏡與透鏡所組成，如圖三所示。一般而言，雷射光的運用是形成光學嵌住的必要條件，雷射光的