光学基础知识大讲堂

——第1期：什么是光镊？

何卓铭

菜可以用筷子夹起，头发也可以用镊子夹起，那么细胞或者DNA可以“夹起来”吗？答案是可以，用光镊就能做到。那什么叫做光镊？
      光镊是用高度会聚的激光束形成的三维势阱来俘获、操纵和控制微小颗粒的一项技术。与机械镊子相比，光镊是一种以非机械接触的方式来完成夹持和操纵物体的，它可以对目标细胞进行非接触式的捕获和固定，以及对细胞进行精确的操作，且可通过选用适当波长的激光，使形成的光镊对物质的热学或化学等效应非常弱，从而对细胞产生的损伤非常小。因此在生命科学研究中，几乎所有的单细胞操作都采用光镊的方式来进行操控。
  在光与物质相互作用过程中，既有光子能量的传递，也伴随着光子动量和角动量的转移。光镊正是利用了光子与物质交换能量时发生的力学效应——光辐射力。正如前面提到，光镊是对物体进行捕获和固定，如果只是往光传播方向推的话，那不叫光镊，那叫光“踹”。1970年，美国科学家Ashkin就率先干了这件事情，他利用两束相向传播的聚焦激光束成功地束缚住了在水里的电介质微粒（小编内心：so easy，其实让我来，我也能做到）。十几年后（1986年），Ashkin及其合作者又利用单束强聚焦的激光实现了对水中电介质微粒的稳定捕获（小编反应：666，这个可以），这标志着光镊的正式诞生。
      好吧，那让我们来详细解释下光镊是怎么做到的吧!前面提到，光镊利用的是光辐射力，其实光辐射力分为二种：一种是推动目标沿光传播方向的散射力（这就是光“踹”）；另一种是往光强密度高方向拉动目标的梯度力。那梯度力是啥玩意儿？梯度力就是激光聚焦后形成光阱，当微粒涉足这个禁区就会被迅速地拉向光阱正中心的作用力。如果把它近似成引力场的话，就如同小球在漏斗中一般，快速坠落至中心最低处。 光镊光场的理论模型可以分为几何光学（RO）模型和电磁（EM）模型二种。RO 模型理论适用于几何尺寸大于波长的微粒，计算较简单，作为一种近似方法其计算结果对实验具有参考价值；EM 模型可精确分析所有尺度的微粒，EM 模型分析光阱力包含三个部分：即激光束的电磁场描述、微粒对电磁场的散射求解以及电磁场对微粒的辐射压力的计算。下面就采用简单的RO模型进行分析，即中学经典物理里的受力分析：

图1 光镊原理示意图（几何光学近似模型）

首先，我们来回顾下中学物理的受力分析，力的矢量分解（如图1（a）所示），光线a入射到颗粒上，经过一系列折射等现象，转变成光线a’，那么根据矢量分解，对于颗粒的受力分析，就应该受到a-a’的力，即图中Fa，同理分析可得Fb，由于光束左右对称，矢量力合成得到合力F，方向垂直向上，指向焦点f处。当光线聚焦到颗粒球心O的下方时，如图1（b）所示，同样可以分析得到合力F，方向垂直向下，指向焦点f处。图1（c）为小球横向偏离光线焦点f时的受力分析，原理也相同。当然，这里不再详细公式化分析散射力和梯度力，只有当梯度力大于散射力时，才能形成光阱，否则颗粒就被光“踹”走了。
      早期的光镊只能产生一个光阱，即只能控制一个颗粒，而且操控能力也非常有限。随着科学技术的发展，从单光阱捕获向着多光阱捕获，这是光镊技术发展的必然趋势。首先，我们想到利用多个激光器输出的光束耦合到同一个聚焦物镜，这样产生多光阱的方法最直接，但缺点也很明显，产生光阱数目有限，而且装置比较复杂。于是我们又用多光束干涉技术和时分复用技术来提高光阱数量，目的达到了，但目标却又更换了，这样不能实现实时动态操纵。现在，我们再通过光束偏转器如声光调制器、机械式扫描振镜等器件来扫描入射光束从而产生的时间上的“多光阱”，也算初步实现了目标，虽然只能静态捕获多个微粒或者是动态操纵少数几个微粒（如果有设计师看到这里，肯定会产生共鸣 ，原来你也懂我的苦）。终于，通过空间光调制器（SLM）调制光束相位来产生特定目标光场的全息光镊，实现了实时、动态、三维空间独立控制多微粒等技术，甚至包括微粒旋转、分选和输运等功能。另外，其他诸如特殊模式光束，特别是具有涡旋相位的拉盖尔-高斯光束和具有无衍射和自弯曲特性的艾里光束，在光学微操纵中的应用也日益广泛与深入；矢量光场，特别是柱矢量光束，近年来在光学微操纵中的应用也取得了大量成果。相信随着光镊技术的进一步发展，将会为纳米光电子学、纳米生物学和医药学的研究和发展带来深远的影响。

参考文献

1、 李银妹. 光镊技术的研究现况[J].中国激光，2015，42（1）.
2、 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）.
3、 豆秀婕，闵长俊，张聿全，袁小聪. 表面等离激元光镊技术[J].光学学报，2016，36（10）.