Logo
Logo

Оптический пинцет

1  4,00 Найдите диаметр светового пятна $D_{o1}$, которое образует луч в фокальной плоскости в воздухе в отсутствие расширителя луча.

Ответ: $$D_{01}=4.12~\text{мкм}.$$

2  4,00 Чтобы улучшить захватывающую способность оптического пинцета, используют расширитель луча. Как показано на рисунке (a), расширитель луча состоит из рассеивающей линзы с фокусным расстоянием $f_1=-6.3~\text{мм}$ и собирающей линзы с фокусным расстоянием $f_2=25.2~\text{мм}$. Считая, что расширяемый пучок состоит из параллельных лучей, найдите расстояние между линзами $l$ и диаметр расширенного пучка $D_2$.

Ответ: $$l=18.9~\text{мм},\ D_2=6.0~\text{мм}.$$

3  8,00 Расширенный пучок фокусируется в слое дистиллированной воды в ячейке для образца, как показано на рисунке (a). В параксиальном приближении найдите, на каком расстоянии $D_w$ от внутренней поверхности ячейки сфокусируется пучок и какого диаметра $D_{o2}$ пятно он образует в фокальной плоскости.

Ответ: $$D_{w}=1.97~\text{мм},\ D_{02}=1.05~\text{мкм}.$$

4  12,00 На рисунке (b) показана модель поведения погружённых в воду полистироловых шариков под действием неоднородного лазерного пучка (упрощённо представленного в виде двух лучей с разной интенсивностью). Лучи $L_1$ и $L_2$ падают вдоль оси $Ox$ и имеют мощности $P_1=1.0~\text{мВ}$ и $P_2=2.0~\text{мВ}$ соответственно. Угол, на который отклоняются лучи вследствие преломления, равен $15^{\circ}$, как показано на рисунке (b). Отражением от границы раздела сред и поглощением света пренебрегите. Найдите силу $\vec{F_b}$, действующую на шарик со стороны лучей, выразив её через единичные векторы $\vec{i}$ и $\vec{j}$ вдоль $Ox$ и $Oy$ соответственно и отношения $\eta_x$ и $\eta_y$ проекций силы на эти оси к силе притяжения, действующей на шарик.

Ответ: $$\vec{F_b}=0.45\cdot10^{-12}\vec{i}+1.15\cdot10^{-12}\vec{j}~\text{Н},\ \eta_x=10.9,\ \eta_y=28.0.$$

5  4,00 Найдите среднеквадратическую скорость шариков $v_p$, находящихся в воде при температуре $300~\text{К}$.

Ответ: $$v_p=1.72\cdot10^{-3}~\frac{\text{м}}{\text{с}}.$$

6  4,00 При рассмотрении оптических пинцетов можно также рассматривать модель оптического потенциального колодца, и потенциал $U(r)$ сферически симметричного колодца, создаваемого сфокусированным на шарике лазерным лучом, может быть описан как$$\begin{cases}U_0\left(1-\frac{r^2}{b^2}\right),\ \text{если}\ r\leq b;\\0,\ \text{если}\ r>b;\end{cases}$$где $b$ — некоторая константа, $r$ — расстояние от центра колодца, а $U_0=0.078~\text{эВ}$. Найдите значение максимальной скорости $v_m$ при $r=0$, при которой шарик ещё может быть заперт в потенциальном колодце.

Ответ: $$v_m=2.44\cdot10^{-3}~\frac{\text{м}}{\text{с}}.$$

7  8,00 Как известно, модули скоростей полистироловых шариков в воде подчиняются распределению Максвелла, которое даётся формулой$$f(v)=4\pi \left( \frac{m}{2\pi kT} \right)^{\frac{3}{2}} v^2 e^{-\frac{mv^2}{2kT}},$$где $m$ и $v$ — масса и скорость соответственно, а $T$ — их абсолютная температура. Для двух шариков массами $m$ и $2m$ найдите вероятности быть запертыми в потенциальной яме $P_m$ и $P_{2m}$ соответственно и сравните их.

Ответ: Вероятности совпадают,$$P_m=P_{2m}=\int_0^{\sqrt{U_0/(k_BT)}}\frac{4}{\sqrt\pi}x^2e^{-x^2}dx.$$