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title: "光镊：抓住小球之后，怎样量力"
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last_modified: "2026-10-22"
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[分子、力与极快运动](https://sandboxphysics.com/zh/stories/probe-evidence/#measurement)

装置 · 观测 · 推断

# 光镊：抓住小球之后，怎样量力

Sandbox Physics · 2026-10-22

被光困住、仍在热运动的小球，怎样成为定量测力工具？

1. 聚焦俘获光束
2. 流体中的介电小球
3. 标定后的位移信号
4. 估计刚度与力

记录的是小球位移或标定探测信号，不是直接拍下的光势地图。

## 一束光在水中困住粒子

Ashkin、Dziedzic、Bjorkholm 与 Chu 的 1986 年作者摘要报告，单光束梯度力能在水中俘获介电粒子，尺寸跨越较大范围。那项结果建立稳定光学约束；2018 年表彰还包括生物应用。

光经过粒子时交换动量。介电性质与聚焦条件合适，梯度恢复作用才可能胜过使粒子离开的散射作用。焦点很亮，不保证每个方向都稳定。

来源：[1] [3]

## 阱稳定，小球也不会静止

平衡位置附近，稳定光阱常可近似成弹簧。小球仍被热扰动力推着，在黏性流体里晃动。波动包含刚度信息，但先要把探测器单位换成位移。

对平衡牛顿流体中的过阻尼谐阱，转折频率联系刚度与阻力。下式分别用阱刚度、阻力系数与每秒周期数；近壁面、非球形粒子或黏弹介质，都会改变简单阻力模型。

$$
\kappa=2\pi\gamma f_c
$$

来源：[2]

## 两种标定不一致，可能是物理条件变了

均分法利用位移方差与温度，功率谱法利用谱的转折并依赖阻力模型；主动正弦驱动还可补充探测器换算信息。所引原始实验比较这些方法，没有宣称它们在所有条件下等价。

漂移会增加低频方差，有限曝光把运动抹平，采样会混叠高频波动，局部加热又改变温度。因此，即使 Lorentz 曲线拟合得漂亮，力刻度仍可能有偏差。

来源：[2]

## 估力要先限定线性区

在标定过的近似谐区，恢复力与偏离阱中心的位移相反。位移更大时，要用真实力与位移关系，还可能直接逃阱。下列方差式只适用于已知温度下的单个谐坐标。

若进一步量分子力，还要处理小球连接、柔顺性、带宽与几何。拍到一把光镊，或看到球被抓住，本身都没有给出分子力。

$$
\langle x^2\rangle=\frac{k_{\mathrm B}T}{\kappa},\qquad F_x\simeq-\kappa x
$$

来源：[2]

## 磁光阱不能替代这套标定

已有冷原子 Lab 讨论原子内态跃迁、磁场和光力，没有流体小球的布朗标定。它可以比较光力机制，却不能代替光镊这套独立装置和推断任务。

来源：[1] [2]

## 接着探索相关模型

每个入口都说明已有模型能解释什么，以及历史测量还多了哪一步。

### [比较原子所受光力](https://sandboxphysics.com/zh/labs/laser-cooling-magneto-optical-trap/)

检查原子云的冷却力与恢复力。

磁光阱不是介电小球光镊，也没有布朗刚度标定。

## 来源与阅读说明

1986 年作者摘要支持俘获演示；标定关系与失效来自 2014 年原始比较实验的可检索方法，本文不重建生物力轨迹。

1. [A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm & S. Chu, Observation of a single-beam gradient force optical trap, Opt.Lett.11,288 (1986)](https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?URI=ol-11-5-288)

   核读作者摘要：水中单光束俘获及报告的尺寸范围；未使用受限全文。

2. [Comparative calibration experiment, Calibration of Optical Tweezers for In Vivo Force Measurements (2014)](https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4167536/)

   核读可检索原始方法及结果：过阻尼谱、均分定理、主动驱动以及电压到距离的标定。

3. [Royal Swedish Academy of Sciences, Physics Prize 2018: official award announcement](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2018/press-release/)

   核读官方公告中 Ashkin 生物光镊与 Strickland–Mourou 脉冲方法的分项归属；实验细节另据所引原始叙述。

[探针、光与测量：读懂证据](https://sandboxphysics.com/zh/stories/probe-evidence/) [Raman：换了入射谱线，位移为何保留](https://sandboxphysics.com/zh/stories/probe-evidence/raman-shift-and-molecular-evidence/) [阿秒脉冲：宽光谱之外，还要怎样量时间](https://sandboxphysics.com/zh/stories/probe-evidence/attosecond-pulses-and-metrology/) [中子散射：原子在哪里，又怎样运动](https://sandboxphysics.com/zh/stories/probe-evidence/neutrons-structure-and-motion/)