光学镊子 - Optical tweezer

顾名思义,光学镊子就是用光形成的镊子,它是建立在光辐压原理上的.光辐射压的提出源于开普勒和牛顿时代,当时理论认为光是一种粒子,根据牛顿力学原理, 运动着的粒子束会产生压力.在天文学中,彗星的尾巴始终背向太阳就是光具有辐射压力的一个典型例子.然而,光压的存在和麦克斯韦对辐射压力的理论预言则是到了20世纪初才在实验室中得到实验证明的.

20世纪60年代,当激光作为具有极高亮度的相干光源出现时,光压的研究发生了革命性的变化.70年代初,人们开始对激光的辐射压开始全面和深入的研究,特别是对原子在不同条件下所受辐射压力的性质和机制进行理论探讨和实验观测,从而发展起原子束的激光偏转,激光冷却,光子粘胶及原子喷泉等实验技术,同时利用光压进行原子俘获,粒子操纵等研究.正是由于在激光冷却方面的先驱性研究,著名的华裔科学家,斯坦福大学的朱棣文教授与其他两人共同获得了1997年度诺贝尔物理学奖.

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.