探索光镊奥秘：光学扳手与粒子操控

实验指导书1深入探讨了20世纪70年代由Ashkin开创的光镊现象，这是一种利用光的力量来操控微米和亚微米级别的生物粒子或大分子的技术。光镊的原理基于光束对微粒的俘获力，通过调整光场分布，如环形光束中的拉盖尔高斯光束，其携带的轨道角动量能够使微粒旋转，形成“光学扳手”的概念。实验的核心是空间光调制器(SLM)，它能调控光场的产生，展示微粒在不同光模式下的行为，如高斯光束捕获、涡旋光场中的自旋和公转。 实验的主要目标包括： 1. 激光模式识别：学习拉盖尔高斯模(LG模式)、厄米高斯模(HG模式)以及它们的振幅和相位结构，理解这些模式在光学操作中的关键作用。 2. 光学力学交互：通过实验研究聚焦光场如何影响微观粒子的运动和响应，特别是高斯光束的捕获效果。 3. SLM的应用：理解SLM如何控制光场的复振幅分布，生成光栅并转换不同模式，如从高斯光场到高阶模式。 4. 激光模式转换：通过柱状透镜观察LG模式和HG模式之间的直接转换，展示不同激光模式的实用性。 5. 光压与光镊操作：揭示光压的本质，即光束如何施加压力在微粒上实现捕获和平移。 6. 圆偏振光与轨道角动量交换：利用圆偏振光与物质粒子之间的相互作用，观察微观粒子的自旋运动，验证光与物质的相互作用机制。 7. 全息光镊的多粒子控制：通过SLM实现对多个微粒的精细操控，形成特定的几何排列，展示光镊在多粒子系统中的复杂应用。 8. 粒子的公转观察：在涡旋光场中观察微观粒子的公转现象，进一步理解光镊如何实现非接触的三维操控。 整个实验不仅锻炼了学生的光学理论知识，还提升了他们对微观世界的操控能力，是现代生命科学、生物技术、材料科学等领域的重要实践工具。通过这个实验，学生可以深化对光的物理性质的理解，掌握高精度光操控技术，并为未来在相关领域的研究和开发打下坚实基础。