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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 微小粒子捕獲系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 數(shù)理
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 光力學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀以光具有動(dòng)量這一基本物理原理為出發(fā)點(diǎn)、以光與物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)為核心，為直觀生動(dòng)地演示光的粒子性提供了極好的手段。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，能夠使學(xué)生切實(shí)觀察、感受到光的力學(xué)效應(yīng)以及這種效應(yīng)的巨大應(yīng)用前景，加深對(duì)光的粒子性這一基本物理事實(shí)的認(rèn)識(shí)。
- 詳細(xì)介紹：
- 1．光源：激光。激光輻射在空間方向上高度集中，使得其在該方向上有很高的亮度，由此保證光束方向上的輻射亮度和光束的光功率密度，以顯示光子力量。 2.光的梯度力原理。利用光梯度力使微小介質(zhì)小球運(yùn)動(dòng)到光束中央。 3.光輻射壓力原理。利用光輻射壓力來(lái)操縱微小介質(zhì)小球。改變光功率的大小，小球?qū)⒏∮诓煌奈恢谩? 處于激光束中的水中粒子受到四個(gè)力的共同作用，分別是： Fmg：粒子的重力 Fs：粒子受到的光輻射壓力 Ff：粒子在水中的浮力 Fg：粒子受到的光梯度力。 由于光束的梯度力正比于光強(qiáng)的梯度，指向光場(chǎng)強(qiáng)度的最大處。它的作用效果使得粒子朝向光功率密度最大的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，處于激光束中的微小物體在梯度力的作用下會(huì)運(yùn)動(dòng)到光束的中央，在光束中央處粒子受到的梯度力為零，因此，粒子被梯度力束縛于光束中。同時(shí)當(dāng)粒子受到的光輻射壓力足以克服其在水中的重力時(shí)，粒子將懸浮于水中。 既： Fs=Fmg-Ff 作為本作品的實(shí)質(zhì)性技術(shù)，是當(dāng)前生物物理學(xué)中新方法和新儀器的研究熱點(diǎn)之一。該設(shè)計(jì)特點(diǎn)： 1.利用光纖將激光束投射到水中聚苯乙烯球上，減少了光強(qiáng)度的損失 2.聚苯乙烯小球?qū)儆诮殡娢镔|(zhì)，利用其在激光光場(chǎng)中的電偶極化現(xiàn)象，展示光的梯度力。 3.采用可調(diào)光功率的激光光源，通過(guò)改變光功率大小改變聚苯乙烯小球受力大小，使小球懸浮于不同位置，通過(guò)對(duì)比達(dá)到演示目的。 系統(tǒng)原理：利用光纖將激光束投射到水中聚苯乙烯球上，調(diào)節(jié)光功率使得輻射壓力與小球重力平衡，實(shí)現(xiàn)光懸浮，測(cè)量光的輻射壓力與光功率間關(guān)系。
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 粒子性和波動(dòng)性是光的兩個(gè)基本屬性。長(zhǎng)期以來(lái)，各種干涉儀光作為波動(dòng)性的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為大學(xué)物理的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，而光的粒子性卻缺少與之相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系而言無(wú)疑是一個(gè)非常大的缺憾。光力學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀以光具有動(dòng)量這一基本物理原理為出發(fā)點(diǎn)、以光與物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)為核心，為直觀生動(dòng)地演示光的粒子性提供了極好的手段。通過(guò)本裝置，能夠使學(xué)生切實(shí)觀察、感受到光粒子性所帶來(lái)的效果，加深對(duì)光的粒子性這一基本物理事實(shí)的認(rèn)識(shí)。 1．光源：激光。激光輻射在空間方向上高度集中，使得其在該方向上有很高的亮度，由此保證光束方向上的輻射亮度和光束的光功率密度，以顯示光子力量。 2.光的梯度力原理。利用光梯度力使微小介質(zhì)小球運(yùn)動(dòng)到光束中央。 3.光輻射壓力原理。利用光輻射壓力來(lái)操縱微小介質(zhì)小球。改變光功率的大小，小球?qū)⒏∮诓煌奈恢谩? 處于激光束中的水中粒子受到四個(gè)力的共同作用，分別是： Fmg：粒子的重力 Fs：粒子受到的光輻射壓力 Ff：粒子在水中的浮力 Fg：粒子受到的光梯度力。 由于光束的梯度力正比于光強(qiáng)的梯度，指向光場(chǎng)強(qiáng)度的最大處。它的作用效果使得粒子朝向光功率密度最大的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，處于激光束中的微小物體在梯度力的作用下會(huì)運(yùn)動(dòng)到光束的中央，在光束中央處粒子受到的梯度力為零，因此，粒子被梯度力束縛于光束中。同時(shí)當(dāng)粒子受到的光輻射壓力足以克服其在水中的重力時(shí)，粒子將懸浮于水中。 既： Fs=Fmg-Ff
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 作為本作品的實(shí)質(zhì)性技術(shù)，是當(dāng)前生物物理學(xué)中新方法和新儀器的研究熱點(diǎn)之一。該設(shè)計(jì)特點(diǎn)： 1.利用光纖將激光束投射到水中聚苯乙烯球上，減少了光強(qiáng)度的損失 2.聚苯乙烯小球?qū)儆诮殡娢镔|(zhì)，利用其在激光光場(chǎng)中的電偶極化現(xiàn)象，展示光的梯度力。 3.采用可調(diào)光功率的激光光源，通過(guò)改變光功率大小改變聚苯乙烯小球受力大小，使小球懸浮于不同位置，通過(guò)對(duì)比達(dá)到演示目的 系統(tǒng)原理：利用光纖將激光束投射到水中聚苯乙烯球上，調(diào)節(jié)光功率使得輻射壓力與小球重力平衡，實(shí)現(xiàn)光懸浮，測(cè)量光的輻射壓力與光功率間關(guān)系。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 已完成
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)驗(yàn)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 光的輻射壓的主要應(yīng)用在一下三個(gè)方面： 1.激光冷卻原子 在原子物理的研究中，有時(shí)需要對(duì)單個(gè)孤立原子進(jìn)行觀察和測(cè)量，研究人員都渴望得到一種能使原子處于靜止和無(wú)相互作用的理想狀態(tài)。冷卻可以使原子熱運(yùn)動(dòng)速度降低，但低溫時(shí)原子間有強(qiáng)烈的相互作用，不再是孤立的。 2.同位素分離 在分離同位素時(shí)也可借助光的輻射壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于同種原子的不同同位素的電子激發(fā)能量稍有不同，這樣我們可以將入射光頻率調(diào)整到剛好與其中一種同位素的躍遷頻率發(fā)生共振。增加入射光光強(qiáng)，可使每個(gè)原子吸收并發(fā)射光子的數(shù)目增多，有助于使同位素得到最大的空間分離。 3.激光清洗 在微電子加工過(guò)程中，污染是個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。因此，有效的清洗技術(shù)可以促進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)磁盤技術(shù)、光盤技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)激光照射到物體表面時(shí)，污物粒子吸收光子而獲得動(dòng)量，產(chǎn)生振動(dòng)，使其克服基體的吸附力，脫離物體表面，達(dá)到清洗的目的。激光清洗在工業(yè)生產(chǎn)、藝術(shù)品保護(hù)以及牙齒疾病的治療中也有廣泛應(yīng)用。
同類課題研究水平概述
- 中國(guó)科大在世界上首次提出“納米光鑷技術(shù)”概念，并根據(jù)光鑷技術(shù)和納米生物學(xué)研究的特點(diǎn)，成功地實(shí)現(xiàn)了納米精度的光鑷系統(tǒng)集成，位移測(cè)量達(dá)到亞納米精度，測(cè)力分辨率達(dá)到飛牛頓量級(jí)，時(shí)間分辨率達(dá)到0.1ms。“納米光鑷系統(tǒng)”由三路光鑷、雙路高精度探測(cè)和納米操控系統(tǒng)組成，是國(guó)際上第一臺(tái)包含有三個(gè)獨(dú)立的光學(xué)微機(jī)械手的光鑷系統(tǒng)。
