如何用简单的语言介绍「光镊」的原理？ 第1页

很久以前听E. You谈过他的理解。

你知道一般在一个光场中放一小块透明介质，光场就会发生改变。比如在平行光场中放一小片标准透镜，就会将一部分平行光转化为汇聚光场。但有一个例外。就是在汇聚光场的焦点处，无论放何种透镜（只要足够小）光场都不会改变。依据法拉第原理/勒啥特列原理or whatever，光场有抵抗变化的趋势，所以会将介质推向汇聚光场的焦点处/或光强最大处。这也是为何轻微透明介质会被trap在光强最大处。

以上说明未必严谨，毕竟彼时You神还是一名大三学生。但一定形象。

从折射讲起比较好理解，只需要几何光学和普通物理知识。

当然也有更复杂的版本，取决于粒子大小了。如果激光波长比颗粒尺寸大得多时，颗粒就可以被当做是在光场中的电偶极子。当被作用物体的尺寸与激光波长在同一数量级时，可以利用麦斯威尔方程组来解释其原理。当粒子比较大的时候才好用几何光学解释。

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光镊的产生是基于由光动量改变而产生作用力，这是力产生的原因（光的力学效应），类似可参考光压。

激光的产生可以使这一作用力足够大，从而捕获粒子。

我们都知道光有波粒二象性，光与物质相互作用下，这里我们主要考虑粒子性。

如果在光跨越两种折射率不同的介质临界面时，光的方向会发生变化，即折射，同时也会发生mie散射。这里折射和mie散射都是弹性碰撞。

那么拿一束高斯光束照射大颗粒透明粒子，光会发生折射，方向改变，动量发生变化。根据动量守恒定律，光子的初末动量之差转换到了微粒上，则我们可以计算出这个力为梯度力

其中

当颗粒偏离光束中心时（右图），由于光束中心的光强较大，动量的转移造成对颗粒有一个指向光束中心的合力。当颗粒处于光束中心时（左图），颗粒受到的横向合力为零。但是未聚焦的激光会对颗粒造成沿着光线传播方向的力。

聚焦的激光除了可以将颗粒困在激光的中心轴上，还可以将它困在光轴上的特定位置：无论颗粒在激光聚焦点之前（左图）或之后（右图），动量的传递都会对颗粒产生一个指向激光聚焦点的合力。因此，颗粒会被固定于聚焦点稍微偏后一点的位置。（稍微偏后是因为颗粒会由于光的散射而受到沿着光传播方向的力）

到此对于初学者而言就足够了，通俗易懂，兴趣十足.

参考文献

梁言生，姚保利，雷铭，严绍辉，于湘华，李曼曼. 基于空间光场调控技术的光学微操纵[J].光学学报，2016，36（10）.