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1、不问收获，但问耕耘，把最好的资料送给最好的自己！光学扳手光的轨道角动量探秘姓名：XXX时间：20XX年X月X日大学物理仿真实验光学扳手光的轨道角动量探秘实验报告一、实验简介20世纪70年代Ashkin在实验中观察到光镊现象,这一现象引起了物理学者和生物学者的极大兴趣,人们在利用光镊实现了对微米、亚微米生物或其他大分子微粒细胞的步伐的俘获，并在基本不影响周围环境的情况下对捕获物进行亚接触性、无损活体操作，近几十年来光技术的研究和应用已经成为生命科学等领域不可或缺的工具。随后，人们在实验中发现环形光场分布的光束不仅可以提高光镊中光束对微粒的俘获效率，而且某些环形光束(如拉盖尔高斯光束)所携带的轨道
2、角动量可以传递给吸收性的微粒，驱动微粒旋转，这一发现为生物技术、材料科学以及原子物理的诸多应用领域提供了一种新的实验工具，它显示某些光束不仅可以实现对微粒的无接触俘获和平移，且还可实现对微粒的无接触旋转。这种利用光束的角动量实现对微粒的无接触旋转同我们生活中使用的扳手很相似，因此人们形象地把这种工具称为“光学扳手”。本实验利用空间光调制器来调控光场的产生，演示了微粒在高斯光束捕获现象，同时利用实现了微粒在不同偏振的涡旋光场中的自转，以及公转现象，并且探究了影响微粒旋转的因素，此外还演示了不同横向模式的产生以及转换，这为学生更好地理解光学扳手的概念以及轨道角动量奠定了基础。二、实验目的1激光模式
3、认识：拉盖尔高斯模；厄米高斯模；振幅、相位结构；2汇聚光场与微观粒子的力学相互作用；3空间光调制器（SLM）调控激光高阶模式：SLM调控光场复振幅分布的原理，生成光栅；利用SLM将高斯光场转换为高阶模式光场，观察光场的强度分布；利用MZ干涉仪，检查高阶模式光场的相位分布；4柱状透镜激光模式变换：利用柱状透镜观察LG模式与HG模式直接的转换5光镊捕获微观粒子：利用汇聚的高斯光场，捕获液体中悬浮的微观粒子；6圆偏振光光与物质轨道角动量交换：利用圆偏振光捕获单轴晶体（双轴晶体）微观粒子，观察微观粒子的自转行为；7全息光镊-多粒子动态移动：利用空间光调制器，同时控制多束高斯光场汇聚点的空间位置，同时移
4、动多个微观粒子，摆出特殊几何分布的微观粒子阵列；8全息光镊-粒子公转：利用空间光调制器产生涡旋光场，并捕获微观粒子，观察微观粒子沿着涡旋光场进行公转的行为；三、实验原理光镊粒子的捕获与平移操作光压：光压是射在物体上的光所产生的压强，也称为辐射压强（辐射压）。例如当有太阳光照射时，会感受到温暖。聚焦的高能量激光，可以点燃纸片，这都是光波的能量传递。早在十七世纪初，德国的天文学家开普勒就认识到了光辐射压力的存在，1873年，麦克斯韦根据电磁学理论证明了光可以产生辐射压力。图1光压由于光具有波粒二象性，光子概念提出后，光的粒子性可以用来解释光压现象。光压是光子把其的动量传给物体的结果。由于光的粒子性
5、，根据动量定理，光子具有动量hv/c，会对物体产生一定的压力。入射到物体表面后被吸收或者反射。大量光子长时间的作用就会形成一个稳定的压力。事实上由于光压的作用，光子会将部分的能量以动量的形式传递给物体，使物体的动能发生变化，而剩余的能量除一部分被转化成热能外，其余的则以反射光的形式辐射。光的粒子性被大量实验证实。根据爱因斯坦等人的研究，电磁波遵从量子力学理论，因此光子具有表征质量。由物质波方程，=h/p=h/mv可以推导出光子表征质量为m=h/c。由此可见，光子同时具有质量与速度，或者说光子具有动量。具有动量的大量光子，照射在物体上产生稳定的压强即为光压。但是，由于光辐射压力非常微弱，功率在毫
6、瓦（mW）量级的光仅仅能产生皮牛量级的作用力，在很长一段时间里，一直无法在实验上验证光辐射压力的存在。直到上个世纪60年代，激光的出现才使辐射压力的研究和应用成为可能。在现代光学技术不断发展进步的契机下，20世纪末，终于有一项能够精确操控微纳粒子的新技术应运而生，这就是基于光的力学效应和激光技术的“光学镊子(optical tweezers)”。光镊，即光学捕获，其工作原理是利用光场强度空间变化形成的梯度力把微粒稳定地捕获在光场最强处，即光束的焦点位置，当激光束移动时就可以带动微粒一起运动，实现对微粒的精密操控。如果利用光子的轨道角动量和自旋角动量与被捕获微粒的传递，还可以实现对微粒的旋转。以
7、单光束高斯光镊为例，当一束高度会聚的高斯光场作用于一个透明的微粒时，当微粒的折射率大于周围介质的折射率时，无论是在光的传播方向，还是在垂直于传播方向的平面内，光场强度变化形成的梯度力都会把粒子推向束腰处，形成三维光学势阱。根据微粒尺寸的不同，理论上有两种典型的模型来解释光学势阱。激光光束的显微操作具有很多的优势，如可以连续控制激光光源的参数，来实现不同尺寸粒子的操作。可以无接触、无损伤地操作微小粒子，并将激光显微操作与其它技术相融合。还可以严格地操控微米量级的微小粒子，及控制活体细胞的损伤阈值。激光捕获技术广泛应用于生物医学，是由于其光阱效应即称为光学势阱力。光阱力是激光光束会使处于光阱中的物
8、体由于受到力的作用而被束缚。光阱力包括光阱梯度力垂直于光轴方向和辐射压力沿光轴方向。20世纪70年代，亚瑟阿斯金在实验中观察到光镊现象,这一现象引起了物理学者和生物学者的极大兴趣，人们在利用光镊实现了对微米、亚微米微粒的俘获、平移后正在进行更深入的研究。20世纪90年代人们又发现环形光场分布的光束不仅可以提高光镊中光束对微粒的俘获效率,而且某些环形光束，如拉盖尔-高斯（Laguerre-Gaussian）光束，所携带的轨道角动量可以传递给吸收性的微粒，驱动微粒旋转，这一发现为生物技术、材料科学以及原子物理的诸多应用领域提供了一种新的实验工具，它显示某些光束不仅可以实现对微粒的无接触俘获和平移,
9、而且还可实现对微粒的无接触旋转。这种利用光束的角动量实现对微粒的无接触旋转同我们生活中使用的扳手很相似，因此人们形象地把这种工具称为“光学扳手”。对于直径远大于波长公劝的米氏粒子来说，光学势阱原理可以用几何光学来解释。当光子与微粒碰撞时，光子可将其动量传递给微粒而产生微小的作用力。如果将一束激光高度汇聚起来，就会形成一个三维势光学势阱，微粒在这个势阱中受到的合力始终指向势阱中心,即焦点位置,无论粒子位于势阱的什么位置。因此，势阱的梯度力可以将微粒稳定地捕获在势阱中。对于直径小于激光波长劝的瑞利粒子，需用波动光学和电磁场理论分析。粒子被当作是一个介电小球,它在光场中受到的合力可表示为光场梯度力和
10、光场散射力两个部分的叠加。对粒子起捕获作用的是梯度力,要想将粒子稳定地束缚在光场势阱中，轴向梯度力必须要克服散射力。所以要想实现粒子的捕获,必须将激光束高度汇聚从而产生足够强的梯度力，通常需要使用高数值孔径的显微物镜光学扳手粒子的旋转操作：光学扳手，作为光学微操纵技术的一种，是利用光束的方法对微小粒子进行精细操作和特性研究的技术，自从上世纪七十年代问世以来得到了飞速的发展和广泛的应用。利用涡旋光束代替传统意义上的高斯型光束作为光镊对微小粒子进行操控，具有很多的优势：第一、涡旋光束的中心强度为零，在对生物体进行捕获时，要尽量降低激光束对生物体的热损伤。由于中空的涡旋光束将微小粒子捕获在焦点附近处
11、，对光能的吸收很小，所以由于吸收引起的光散射力和热损伤可以降到最低。第二、涡旋光束相位的中心强度为零且呈涡旋状，光束中的光子均携带有OAM。在捕获微小粒子的过程中，通过微小粒子对光能的吸收，根据动量守恒定律，可以将涡旋光束中光子携带的OAM传递给微小粒子。不仅可以束缚微小粒子，而且还可以使微小粒子旋转，从而对微小粒子进行三维的操控。第三、传统光镊对微小粒子的捕获局限于对微小粒子折射率的限制，通常被捕获的微小粒子与周围介质的相对折射率要大于一。相反如果小于一，则激光束的光阱力不能实现对微小粒子的束缚。而现实中存在相对折射率小于一的这种情况，所以就要采用涡旋光束来束缚微小粒子，还可以利用涡旋光束同
12、时束缚几个折射率不相同的微小粒子。涡旋光镊可以束缚不同尺寸的微小粒子，我们也根据微小粒子的尺寸大小，从几十纳米到几百微米，分别在理论上采用不同的模型进行分析和模拟。当微小粒子的尺度很小时，小于十分之一入射波长，光入射到微小粒子上会产生回音壁模的谐振，发生瑞利散射，通常采用电偶极子模型进行解释。但是由于实验条件有限，还不能捕获这个尺寸的微小粒子。当微小粒子的尺寸在十分之一到十倍入射波长之间，光入射到微小粒子上时，会产生米氏散射，通常采用米氏散射理论进行解释。当微小粒子的尺寸大于十倍波长，我们采用光线追迹模型进行解释。涡旋光镊可以捕获不同尺寸、不同折射率的微小粒子，不仅可以束缚微小粒子，还可以使微
13、小粒子旋转，实现真正的无损伤地、高效率地操控微小粒子。高斯光束显微操控技术：上面介绍垂直于光轴方向的梯度力，是由于微小粒子在强度不均匀的光场作用下受到的作用力。如图2 a)所示，两条光场强度相同且方向相互平行的光束a和b对称的入射到形状规则的球形微小粒子表面上。下面我们将详细地分析微小粒子的受力情况，尽管这两条光束是平行入射到微小粒子上，但是根据斯涅耳定律光束在微小粒子表面处折射后会改变光束传播方向，光束的动量也发生改变，则说明光束对微小粒子有力的作用。由于是相同光强平行入射的光束，所以这两条入射光束对微小粒子施加的横向力相互抵消，微小粒子不受到横向力的作用。如图2 b)所示，如果两条相互平行
14、入射的光束强度不同，光束a的光场强度比光束b的更强，当两条光束同时作用于微小粒子时，光束a传递给微小粒子的动量就更大，则作用力就更大。微小粒子受到一个左下方的力，这样就会使其处于不平衡状态。所以我们可以得出结论，当微小粒子处于强度不均匀的光场之中时，它就会受到一个指向光强最强处力的作用，该力称为光阱梯度力。不仅光场梯度力对微小粒子产生作用力，而且散射力也同样作用于微小粒子。散射力大部分来自于被照射物体对光束的吸收、反射等。下面从微观的角度解释，光束由高速运动的光子组成，当光束照射微小粒子时，携带动量的光子会与微小粒子相互作用，并将动量传递给了微小粒子。散射对微小粒子产生力的作用，与光束的光强大
15、小有关，而且与粒子的本质属性如吸收系数、反射率、折射率有关。当微小粒子处于光场照射区域内时，如果想稳定地束缚微小粒子于焦点处，则需要满足微小粒子受到的梯度力与散射力相等。如图3 a)所示，当激光光束的聚焦焦点位于微小粒子中心的上面时，微小粒子处于聚焦范围之外。由于焦点处光强最强，光束在微小粒子表面发生反射和折射，动量改变，所以微小粒子受到一个与传播方向反向的负向梯度力，则粒子受到的合外力指向焦点处。图3 b)所示，当激光束聚焦于微小粒子中心的下面时，微小粒子处于聚焦范围之内，与图3 a)恰好相反，同样微小粒子受到一个指向焦点的梯度力，会将微小粒子拉回焦点处。通过上述的分析，当微小粒子处于光场中且未在平衡点处时，微小粒子不仅受到光场梯度力，还有光场散射力的作用。微小粒子受到的梯度力通常是将微小粒子拉回焦点处，而散射力是将微小粒子推出光场，所以光场中的微小粒子处在散射力和梯度力的动态平衡之中。如果想要利用光阱力捕获微小粒子，需要满足以下条件：第一、当微小粒子与周围介质的折射率之比大于一时，在光阱中的微小粒子受到的梯度力与散射力的方向相反，使微小粒子被稳定束缚于焦点处实现捕获。相反如果相对折射率小于一，则上述两个力的合力
