光的力学效应及其应用

1光的力学效应

光具有能量和动量，光的动量是光的基本属性.携带动量的光与物质相互作用伴随着动量的交换，从而表现为光对物体施加一力.作用在物体上的力等于光引起的单位时间内物体动量的改变，并由此引起物体的位移和速度的变化，称之为光的力学效应.

20世纪70年代，朱棣文等人利用光压原理发展了用激光冷却和囚禁原子的方法，获得了1997年度诺贝尔物理学奖.这一研究成果也为荣获2001年度诺贝尔物理学奖的玻色-爱因斯坦凝聚方面的工作提供了有效的实验手段.与此同时，人们也在探索光对微小的宏观粒子的力学效应.1986年，A.Ashkin等成功地利用一束强会聚激光束实现了对生物微粒的三维捕获，这一发明被形象地称为光阱或光镊，并且成了这一尺度范围的粒子特有的操控和研究手段.

2理论解释

光作用于物体时，将在物体上施加一个力.由于光辐射对物体产生的力常常表现为压力，因而通常称之为辐射压力或简称光压.然而，在特定的光场分布下，光对物体也能产生一拉力，即形成束缚粒子的势阱.

如图1所示，一束激光被透镜聚焦后射到透明介质球上，经介质球两次折射后，光子动量发生变化，这种变化反作用于小球，表现为对小球的反作用力，该力的大小正比于光的强度梯度，合力方向指向光束焦点.这种由于光场强度分布不均匀而产生的力，称为梯度力.

图1中光场梯度力指向焦点位置.光束通过粒子时由于折射而引起动量的交换，从而对被作用粒子施加一个指向光束焦点的合力F，这个力使粒子总是趋于光束焦点，因而可被稳定捕获，并进而实现对它的操控.

由此可见，光镊是用一束强会聚激光形成的特殊光场，如果以该光场的最强处为中心划定一个微米方园的禁区，物体一旦涉足这个禁区就会自动移向光束中心，这种不由自主的运动现象尤如灰尘被吸尘器吸入的情形，或者像一个飞行物坠入宇宙黑洞那样，表现出光镊具有地心“引力”的效应.光镊其实是具有引力的光学势阱，这样的光学势阱如同传统机械镊子能挟持和操纵微小物体，所以称它为光学镊子或简称光镊.

所谓的光镊其实是比拟宏观机械镊子对光的势阱效应的一种形象而通俗的描绘，所以在研究光镊自身的物理性质时往往采用“光捕获阱”、“光梯度力阱”或“光学势阱”等物理术语.而在利用这一物理性质形成的一种技术手段或工具时，则赋予它相应于机械镊子而又不失其本质的这样一个独特的命名——光镊.光镊捕获的粒子在几十纳米到几十微米，在这个尺度上，它提供了一种对宏观现象的微观机理的研究手段，特别是为从生物细胞到大分子的纳米生物学，提供进行活体研究的条件.

3应用

3.1镊的无损操控

光的无损和穿透特性，使光镊可以在保持细胞在自然生长环境的情况下进行非接触式的捕获与操控.这种新型的单细胞操作技术克服了以往细胞难以被固定和易产生机械损伤这两个致命的缺点.在生命科学的研究中，几乎所有的单细胞操作中都可以用光镊技术替代传统的实验技术.例如对细胞进行固定、悬浮、分选，用于单细胞融合，研究细胞骨架等，光镊还能有效地收集染色体片段.光镊的特点使其在纳米科技和生物医学领域具有广泛的应用前景.光镊的发明带来了生物个体微操作技术上的革命性进步.

3.2微小力的传感器

光镊操控粒子的作用犹如一个弹簧，光阱中的粒子受到外界的作用，将偏离原先的平衡位置(光阱中心)，所以光镊也是一个微小力的探针，其力的大小在皮牛量级.在生物大分子的水平上，生命过程表现为物体的运动(位移和速度)，受力的大小与方向，彼此间的结合与分离等运动特性，这些运动特性与它们的结构和功能密切相关，因而定量地测量分子间的作用力为能够解释生命现象、研究生命规律和改造生命活动奠定了基础.例如肌肉的运动，源于每天所进的食物经过消化吸收转变成体内的化学能.这些化学能如何转变成肌肉运动的机械能？光镊的发明使人类首例揭开了这个动力源的秘密.1993年，劳兰德科学研究所伯勒克研究组，用光镊研究单个分子，观察到了驱动蛋白沿其蛋白轨道运动，这一实验成功地揭示了体内的驱动蛋白是附着在微管蛋白轨道上，以8个纳米的步距跳跃前进的.正是这样的一步步的跳跃式的前进方式，构成了现在一切运动包括吃饭、喝水乃至于血液循环、呼吸运动等的基础.

3.3微米级粒子的排布与组装

光镊是目前对微米和亚微米尺度的微粒进行非机械接触操控的唯一手段.利用光镊逐个操控微粒的功能，从微观角度来研究分散体系的动力学过程卓有成效.实现对微小粒子的排布，将生物细胞或生物大分子按设定的方案排布成具有特定结构的聚集体，使其具有特定的功能，也为纳米生物器件的组装提供了一种可行方法.

光的力学效应及其应用是当今科学技术研究的前沿问题，是多学科交叉的基础.光的力学效应的研究和利用才刚刚开始.一项新技术的诞生必将引发很多学科的一系列的革命.学科交叉是当代科学技术发展的主要特征和动力源.激光与物质相互作用所表现的光压、散射力、偶极力等从微观的原子捕获，微纳米粒子的研究，到宏观发射微小卫星，形成了一个新兴研究领域.

4科学家简介

4.1朱棣文

朱棣文是华裔科学家，1948年生于美国密苏里州的圣路易斯，美国公民.他父亲朱汝瑾博士是台湾中央研究院院士.朱棣文于1976年毕业于美国伯克利加州大学，获物理学博士学位，并留校做了两年博士后研究，后来他加入贝尔实验室，1983年任贝尔实验室量子电子学研究部主任，1987年应聘任斯坦福大学物理学教授，1990年任斯坦福大学物理系主任.他因开发了激光冷却和陷俘原子的技术获1993年费萨尔国王国际科学奖.同年被选为美国科学院院士.

4.2科恩-塔诺季

科恩-塔诺季1933年出生于阿尔及利亚的康斯坦丁，他是法国公民，1962年在巴黎高等师范学院获博士学位.1973年在法兰西学院任教授.他是法国科学院院士，由于在激光冷却和陷俘原子的开创性实验，他获得多项奖励，其中有1996年欧洲物理学会颁发的量子电子学奖.

4.3菲利普斯

菲利普斯1948年出生于美国宾夕法尼亚的维尔克斯-巴勒，1976年在麻省理工学院获物理学博士学位.由于他在激光冷却和陷俘原子方面的实验研究，曾经获得多项奖励，其中有富兰克林学院1996年的迈克耳孙奖.

朱棣文、科恩-塔诺季、菲利普斯以及其他许多物理学家开发了用激光把气体冷却到微开温度范围的各种方法，并且把冷却了的原子悬浮或拘捕在不同类型的“原子陷阱”中.他们打开了通向更深地了解气体在低温下的量子物理行为的道路.这些方法有可能用于设计新型的原子钟，其精确度比现在最精确的原子钟(精确度达到了百万亿分之一)还要高百倍，以应用于太空航行和精确定位.人们还开始了原子干涉仪和原子激光的研究.原子干涉仪可以用于极其精确地测量引力，而原子激光将来可能用于生产非常小的电子器件.