红外显微观测被俘获吸光性颗粒

张志刚; 刘丰瑞; 张青川; 程腾; 高杰; 伍小平

doi:10.7498/aps.62.208702

摘要

光镊技术被广泛应用在俘获和操纵微纳米尺寸颗粒, 目前被研究学者普遍接受的俘获吸光性颗粒的机理为光泳力. 本文实现了对空气中被俘获的吸光性颗粒的红外显微观测. 当激光器功率为1.0 W时, 成功观测到被俘获墨粉颗粒(直径约7 μm)和甲苯胺蓝颗粒(直径约为1–20 μm)的温升约为14 K, 为光泳力理论提供了强有力的证据. 另外, 首次用可见光显微镜和红外显微镜同时观测到被俘获颗粒的周期振荡现象, 并分析了振荡现象的产生机理.

关键词:

光镊 /
光俘获 /
红外显微

Abstract

Optical tweezers technology is widely used to trap and manipulate particles, and the trapping mechanism generally accepted by researchers is due to the action of photophoretic force. In this paper, infrared microscopic observation of absorbing particles trapped in gaseous medium is first achieved. When the laser power is about 1.0 W, the temperature of trapped toner particles (diameter is about 7 μm) and toluidine blue particles (diameter is from 1 μm to 20 μm) rises by about 14 K, which provides strong evidence for the photophoretic force mechanism. In addition, the periodic oscillation of trapped particles is first observed by both optical microscope and infrared microscope, and the oscillation principle is analyzed.

Keywords:

作者及机构信息

1.
中国科学技术大学近代力学系, 中科院材料力学行为与设计重点实验室, 合肥 230027

基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号: 2011CB302105)、国家自然科学基金(批准号: 11072233, 11127201, 11102201)和中国科学院科研装备研制项目(批准号: YZ201265)资助的课题.

Authors and contacts

1.
Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Materials of Chinese Academy of Sciences, Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China

Funds: Project supported by the National Basic Research Program of China (Grant No. 2011CB302105), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11072233, 11127201, 11102201), and the Instrument Developing Project of Chinese Academy of Sciences (Grant No. YZ201265).

参考文献

[1]	Ashkin A 1970 Phys. Rev. Lett. 24 156
[2]	Sun W, Wang Y Q, Gao C M 2000 Chin. Phys. B 9 855
[3]	Ren H L 2013 Acta Phys. Sin. 62 100701 (in Chinese) [任洪亮 2013 62 100701]
[4]	Li B J, Xin H B, Zhang Y, Lei H X 2011 Acta Opt. Sin. 31 0900126 (in Chinese) [李宝军, 辛洪宝, 张垚, 雷宏香 2011 光学学报 31 0900126]
[5]	Liu C X, Guo H L, Jiang Y Q, Li Z L, Cheng B Y, Zhang D Z 2005 Acta Phys. Sin. 54 1162 (in Chinese) [刘春香, 郭红莲, 降雨强, 李兆霖, 程丙英, 张道中 2005 54 1162]
[6]	Brzobohatý O, Karásek V, Šiler M, Chvátal L, Čižmár T, Zemánek P 2013 Nature Photon. 7 123
[7]	Yue L Y, Wang G W, Yao H L, Peng L X, Yuan Z G, Mo H 2007 Acta Biophys. Sin. 23 75 (in Chinese) [岳粮跃, 王桂文, 姚辉璐, 彭立新, 袁志刚, 莫华 2007 生物 23 75]
[8]	Zhu Y Y, Ding X F, Gao Q J, Wang M L 2006 Laser J. 27 69 (in Chinese) [朱艳英, 丁喜峰, 高秋娟, 王明利 2006 激光杂志 27 69]
[9]	Hu G J, Li J, Long Q, Tao T, Zhang G X, Wu X P 2011 Acta Phys. Sin. 60 030301 (in Chinese) [胡耿军, 李静, 龙潜, 陶陶, 张恭轩, 伍小平 2011 60 030301]
[10]	Mao F L, Xing Q R, Wang K, Lang L Y, Li S X, Chai L, Wang Q Y 2004 Acta Photon. Sin. 33 513 (in Chinese) [毛方林, 邢岐荣, 王锴, 郎利影, 李术新, 柴路, 王清月 2004 光子学报 33 513]
[11]	Zhang M Y, Li S G, Yao Y Y, Fu B, Zhang L 2010 Chin. Phys. B 19 047103
[12]	Xu Y Q, Zhou G Q, Wang X G 2013 Chin. Phys. B 22 064101
[13]	Zhao C L, Lu X H, Chen H 2008 Chin. Phys. Lett. 25 1676
[14]	Li X C, Sun X D 2010 Chin. Phys. B 19 119401
[15]	Zhou Z H, Zhang X L, Xu Y H, Wang X L, Zhang X Q, Zhu L Q 2013 J. Bejing Info. Sci. Tech. Univ. 28 22 (in Chinese) [周哲海, 张晓林, 徐永恒, 王晓玲, 张晓青, 祝连庆 2013 北京信息科技大学学报 28 22]
[16]	Liu W W, Ren Y X, Gao H F, Sun Q, Wang Z Q, Li Y M 2012 Acta Phys. Sin. 61 188701 (in Chinese) [刘伟伟, 任煜轩, 高红芳, 孙晴, 王自强, 李银妹 2012 61 188701]
[17]	Shvedov V G, Hnatovsky C, Shostka N, Rode A V, Krolikowski W 2012 Opt. Lett. 37 1934.
[18]	Zhang P, Zhang Z, Prakash J, Huang S, Hernandez D, Salazar M, Christodoulides D N, Chen Z 2011 Opt. Lett. 36 1491
[19]	Li Q, Feng W L, Hu X M, Cao Q, Sha D G, Lin J M 2008 Chin. Phys. B 17 726
[20]	Zhang Q C, Zhang Z G, Liu F R, Liu S, Wu X P 2012 Chinese Patent 201210275567.0 (2012-08-03) (in Chinese) [张青川, 张志刚, 刘丰瑞, 刘爽, 伍小平 2012 专利申请号: 201210275567. 0 [2012-08-03]]
[21]	Zhang Q C, Zhang Z G, Liu F R, Zhang Y, Liu S, Wu X P 2012 Chinese Patent 201210366305.5 (2012-09-27) (in Chinese) [张青川, 张志刚, 刘丰瑞, 张勇, 刘爽, 伍小平 2012 专利申请号: 201210366305.5 [2012-09-27]]
[22]	Pan Y L, Hill S C, Coleman M 2012 Opt. Express 20 5325
[23]	Zhang Z, Cannan D, Liu J, Zhang P, Christodoulides D N, Chen Z 2012 Opt. Express 20 16212
[24]	Lewittes M, Arnold S, Oster G 1982 Appl. Phys. Lett. 40 455
[25]	Miao Z, Zhang Q, Guo Z, Wu X 2007 Opt. Lett. 32 594
[26]	Xiong Z M, Zhang Q C, Chen D P, Wu X P, Guo Z Y, Dong F L, Miao Z Y, Li C B 2007 Acta Phys. Sin. 56 2529 (in Chinese) [熊志铭, 张青川, 陈大鹏, 伍小平, 郭哲颖, 董凤良, 缪正宇, 李超波 2007 56 2529]
[27]	Cheng T, Zhang Q C, Chen D P, Wu X P, Shi H T, Gao J 2009 Acta Phys. Sin. 58 852 (in Chinese) [程腾, 张青川, 陈大鹏, 伍小平, 史海涛, 高杰 2009 58 852]
[28]	Shvedov V G, Hnatovsky C, Rode A V, Krolikowski W 2011 Opt. Express 19 17350

施引文献

[1]	Ashkin A 1970 Phys. Rev. Lett. 24 156
[2]	Sun W, Wang Y Q, Gao C M 2000 Chin. Phys. B 9 855
[3]	Ren H L 2013 Acta Phys. Sin. 62 100701 (in Chinese) [任洪亮 2013 62 100701]
[4]	Li B J, Xin H B, Zhang Y, Lei H X 2011 Acta Opt. Sin. 31 0900126 (in Chinese) [李宝军, 辛洪宝, 张垚, 雷宏香 2011 光学学报 31 0900126]
[5]	Liu C X, Guo H L, Jiang Y Q, Li Z L, Cheng B Y, Zhang D Z 2005 Acta Phys. Sin. 54 1162 (in Chinese) [刘春香, 郭红莲, 降雨强, 李兆霖, 程丙英, 张道中 2005 54 1162]
[6]	Brzobohatý O, Karásek V, Šiler M, Chvátal L, Čižmár T, Zemánek P 2013 Nature Photon. 7 123
[7]	Yue L Y, Wang G W, Yao H L, Peng L X, Yuan Z G, Mo H 2007 Acta Biophys. Sin. 23 75 (in Chinese) [岳粮跃, 王桂文, 姚辉璐, 彭立新, 袁志刚, 莫华 2007 生物 23 75]
[8]	Zhu Y Y, Ding X F, Gao Q J, Wang M L 2006 Laser J. 27 69 (in Chinese) [朱艳英, 丁喜峰, 高秋娟, 王明利 2006 激光杂志 27 69]
[9]	Hu G J, Li J, Long Q, Tao T, Zhang G X, Wu X P 2011 Acta Phys. Sin. 60 030301 (in Chinese) [胡耿军, 李静, 龙潜, 陶陶, 张恭轩, 伍小平 2011 60 030301]
[10]	Mao F L, Xing Q R, Wang K, Lang L Y, Li S X, Chai L, Wang Q Y 2004 Acta Photon. Sin. 33 513 (in Chinese) [毛方林, 邢岐荣, 王锴, 郎利影, 李术新, 柴路, 王清月 2004 光子学报 33 513]
[11]	Zhang M Y, Li S G, Yao Y Y, Fu B, Zhang L 2010 Chin. Phys. B 19 047103
[12]	Xu Y Q, Zhou G Q, Wang X G 2013 Chin. Phys. B 22 064101
[13]	Zhao C L, Lu X H, Chen H 2008 Chin. Phys. Lett. 25 1676
[14]	Li X C, Sun X D 2010 Chin. Phys. B 19 119401
[15]	Zhou Z H, Zhang X L, Xu Y H, Wang X L, Zhang X Q, Zhu L Q 2013 J. Bejing Info. Sci. Tech. Univ. 28 22 (in Chinese) [周哲海, 张晓林, 徐永恒, 王晓玲, 张晓青, 祝连庆 2013 北京信息科技大学学报 28 22]
[16]	Liu W W, Ren Y X, Gao H F, Sun Q, Wang Z Q, Li Y M 2012 Acta Phys. Sin. 61 188701 (in Chinese) [刘伟伟, 任煜轩, 高红芳, 孙晴, 王自强, 李银妹 2012 61 188701]
[17]	Shvedov V G, Hnatovsky C, Shostka N, Rode A V, Krolikowski W 2012 Opt. Lett. 37 1934.
[18]	Zhang P, Zhang Z, Prakash J, Huang S, Hernandez D, Salazar M, Christodoulides D N, Chen Z 2011 Opt. Lett. 36 1491
[19]	Li Q, Feng W L, Hu X M, Cao Q, Sha D G, Lin J M 2008 Chin. Phys. B 17 726
[20]	Zhang Q C, Zhang Z G, Liu F R, Liu S, Wu X P 2012 Chinese Patent 201210275567.0 (2012-08-03) (in Chinese) [张青川, 张志刚, 刘丰瑞, 刘爽, 伍小平 2012 专利申请号: 201210275567. 0 [2012-08-03]]
[21]	Zhang Q C, Zhang Z G, Liu F R, Zhang Y, Liu S, Wu X P 2012 Chinese Patent 201210366305.5 (2012-09-27) (in Chinese) [张青川, 张志刚, 刘丰瑞, 张勇, 刘爽, 伍小平 2012 专利申请号: 201210366305.5 [2012-09-27]]
[22]	Pan Y L, Hill S C, Coleman M 2012 Opt. Express 20 5325
[23]	Zhang Z, Cannan D, Liu J, Zhang P, Christodoulides D N, Chen Z 2012 Opt. Express 20 16212
[24]	Lewittes M, Arnold S, Oster G 1982 Appl. Phys. Lett. 40 455
[25]	Miao Z, Zhang Q, Guo Z, Wu X 2007 Opt. Lett. 32 594
[26]	Xiong Z M, Zhang Q C, Chen D P, Wu X P, Guo Z Y, Dong F L, Miao Z Y, Li C B 2007 Acta Phys. Sin. 56 2529 (in Chinese) [熊志铭, 张青川, 陈大鹏, 伍小平, 郭哲颖, 董凤良, 缪正宇, 李超波 2007 56 2529]
[27]	Cheng T, Zhang Q C, Chen D P, Wu X P, Shi H T, Gao J 2009 Acta Phys. Sin. 58 852 (in Chinese) [程腾, 张青川, 陈大鹏, 伍小平, 史海涛, 高杰 2009 58 852]
[28]	Shvedov V G, Hnatovsky C, Rode A V, Krolikowski W 2011 Opt. Express 19 17350

[1]	宁鲁慧, 张雪, 杨明成, 郑宁, 刘鹏, 彭毅. 活性浴中惰性粒子形状对有效作用力的影响. , 2024, 73(15): 158202. doi: 10.7498/aps.73.20240650
[2]	王焱, 彭妙, 程伟, 彭政, 成浩, 臧圣寅, 刘浩, 任孝东, 帅雨贝, 黄承志, 吴加贵, 杨俊波. 基于低损光学相变和超透镜的可控多阱光镊. , 2023, 72(2): 027801. doi: 10.7498/aps.72.20221794
[3]	白靖, 葛城显, 何浪, 刘轩, 吴振森. 椭圆波束对非均匀手征分层粒子的俘获特性研究. , 2022, 71(10): 104208. doi: 10.7498/aps.71.20212284
[4]	王玥, 梁言生, 严绍辉, 曹志良, 蔡亚楠, 张艳, 姚保利, 雷铭. 轴向多光阱微粒捕获与实时直接观测技术. , 2018, 67(13): 138701. doi: 10.7498/aps.67.20180460
[5]	钱辉, 陈虎, 严洁. 软物质实验方法前沿:单分子操控技术. , 2016, 65(18): 188706. doi: 10.7498/aps.65.188706
[6]	黄雪峰, 李盛姬, 周东辉, 赵冠军, 王关晴, 徐江荣. 介观尺度下活性炭微粒的光镊捕捉、点火和扩散燃烧特性研究. , 2014, 63(17): 178802. doi: 10.7498/aps.63.178802
[7]	梁钊铭, 吴永刚, 夏子奂, 周建, 秦雪飞. 前后光栅周期对于双光栅结构薄膜太阳能电池光俘获效应的影响. , 2014, 63(19): 198801. doi: 10.7498/aps.63.198801
[8]	张志刚, 刘丰瑞, 张青川, 程腾, 伍小平. 空间散斑场捕获大量吸光性颗粒及其红外显微观测. , 2014, 63(2): 028701. doi: 10.7498/aps.63.028701
[9]	任洪亮. 有限远共轭显微镜光镊设计和误差分析. , 2013, 62(10): 100701. doi: 10.7498/aps.62.100701
[10]	周丹丹, 任煜轩, 刘伟伟, 龚雷, 李银妹. 时间飞行法测量光阱刚度的实验研究. , 2012, 61(22): 228702. doi: 10.7498/aps.61.228702
[11]	任洪亮, 丁攀峰, 李小燕. 光镊轴向阱位操控及器件安装误差对径向阱位操控的影响. , 2012, 61(21): 210701. doi: 10.7498/aps.61.210701
[12]	胡耿军, 李静, 龙潜, 陶陶, 张恭轩, 伍小平. 时域有限差分法数值仿真单光镊中微球受到的光阱力. , 2011, 60(3): 030301. doi: 10.7498/aps.60.030301
[13]	韩国霞, 韩一平. 激光对含偏心核球形粒子的辐射俘获力. , 2009, 58(9): 6167-6173. doi: 10.7498/aps.58.6167
[14]	张艳峰, 李玉栋, 赵立华, 刘洪冰, 陈靖, 崔国新, 许京军, 孙骞. 高斯光束中吸收双层球形微粒的横向光俘获. , 2009, 58(1): 258-263. doi: 10.7498/aps.58.258
[15]	杨浩, 冯国英, 朱启华, 张大勇, 周寿桓. 聚焦光场俘获微球的FDTD分析. , 2008, 57(9): 5506-5512. doi: 10.7498/aps.57.5506
[16]	曾夏辉, 吴逢铁, 刘岚. 干涉理论对bottle beam的描述. , 2007, 56(2): 791-797. doi: 10.7498/aps.56.791
[17]	徐春华, 刘春香, 郭红莲, 李兆霖, 降雨强, 张道中, 袁明. 荧光标记微管的光敏断裂及机理. , 2006, 55(1): 206-210. doi: 10.7498/aps.55.206
[18]	韩一平, 杜云刚, 张华永. 高斯波束对双层粒子的辐射俘获力. , 2006, 55(9): 4557-4562. doi: 10.7498/aps.55.4557
[19]	张艳丽, 赵逸琼, 詹其文, 李永平. 高数值孔径聚焦三维光链的研究. , 2006, 55(3): 1253-1258. doi: 10.7498/aps.55.1253
[20]	降雨强, 郭红莲, 刘春香, 李兆霖, 程丙英, 张道中, 贾锁堂. 低频响及低采样频率下用布朗运动分析法测量光阱刚度. , 2004, 53(6): 1721-1726. doi: 10.7498/aps.53.1721

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