激光是如何捕获微小粒子的

2005/1/19/14:39　　一束激光，怎么就能够抓住小小的细胞或细胞器呢？光镊是怎么对这小小的生命产生作用的呢？这就要从光镊的原理说起。我们知道光是电磁波。电磁波不仅携带能量，而且也携带动量。光与物体相互作用是时同时传递给物体能量和动量。平时我们能感觉到光具有能量。比如太阳的温暖、炉火的灼热，为什么不觉得受到压力呢，光是怎么传递动量的呢？那是因为太阳或普通光源发射的光是各个方向的，光子的密度也非常稀疏，所以在某一个方向上光的辐射压力就非常非常小。例如，烈日当空，骄阳直射地球表面的光压力每平方米只有0.5达因，相当于每厘米受到0.1克力。这么小的力我们怎么会感觉得到呢？也难怪历史上人类总是不断地研究利用光能，而这个不起眼的光子具有的动量几乎被遗忘了。



　　直到20世纪60年代激光问世以后，具有高密度光子流束的激光才使光具有动量这一属性得到充分显示，光子从此也就活跃了起来。科学家不仅用来冷却原子，还发明了光镊这项奇特的新技术。什么样的条件才能形成光镊呢？光镊是依靠光场形成梯度力来达到操纵微粒的目的。什么叫具有光学梯度的光场呢？如激光输出的横截面具有钟形（高斯分布）的光场。我们可以把这个光场的梯度想象成一个有一定陡峭斜坡，光场中心就象坡底，当斜坡坡度越大（即梯度越大）置于斜坡上的小球越容易向坡的底部滑去，反之，斜坡越平缓（梯度越小），上面的物体就越不容易滑到坡底。



    我们曾经做过这样的光学实验。当一束平行光束通过一个透镜时，光就会发生偏折，这种折射的结果是，动量从激光传递给了目标，如果激光束与目标满足一定的关系，传递给目标的动量就会把目标向着入射的激光束拉动，从而激光就能把目标从一个位置移到另一个位置。



    如果我们把这透镜看作细胞的话，细胞就受到入射光的作用，而向某一方向运动，光镊能“夹”住细胞并移动他。目标为一个透明的粒子，粒子的折射率应大于它所处的环境液体的折射率时，会聚的激光束穿过透明的样品粒子，它们之间发生相互作用，大多数光线都被折射（也有反射），改变了动量，根据动量交换原则，粒子的动量也发生改变，因而受到力的作用。



    当光场的梯度足够大时，也就是光束会聚得越厉害，在垂直于光的传播方向和沿着光的传播方向上都能形成强的梯度场。粒子受到的垂直于光束传播方向的横向梯度力能使粒子向光轴方向聚拢，沿着光束传播方向的纵向梯度力的作用使粒子趋向光束焦点运动，犹如光束把粒子从各个方向拉到自己的中心焦点。