【科普】光镊 — 世界上最精密的镊子----瞬态光学与光子技术国家重点实验室

【科普】光镊 — 世界上最精密的镊子

发布时间：2020-03-20 | 【大中小】

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以下文章来源于中国激光，作者姚保利

作者简介

姚保利，中国科学院西安光学精密机械研究所二级研究员，博士生导师，瞬态光学与光子技术国家重点实验室主任。主要从事超分辨光学成像、光学微操纵、三维显微成像等方面的研究。

现代光学显微技术发展迅速，超分辨光学显微成像技术分辨率已达到了纳米级别，为生物医学等领域的发展提供了强有力的工具。但是对于微观尺度的研究来说，除了“看得清”，还需要“摸得着”，而光镊就是那只“摸得着”微观粒子的“手”。迄今为止，与光镊技术相关的工作已获得三次诺贝尔物理奖：1997年激光原子冷却技术、2001年玻色爱因斯坦凝聚以及2018年光镊技术。

1 什么是光镊？

一束平行激光被显微物镜聚焦后会得到一个微米尺度的光斑。物镜数值孔径越大，聚焦的光斑越小（可以达到几百纳米），其电场强度梯度越大。对于电介质微粒来说，强聚焦光斑就是一个三维光学势阱，微粒会被束缚在其势能最低处。若微粒偏离势能最低点，就会受到指向势能最低点的恢复力的作用。由激光束强聚焦形成的光斑对于电介质微粒来说就像是一个“陷阱”，粒子被捕获在其中，如果移动聚焦光斑，微粒就会跟着光斑移动。这样一个强聚焦光斑可以对微粒实施捕获、移动和旋转等微操控，就像一把“镊子”，因而被称为光镊(Optical Tweezers)。

2 光镊技术的诞生

太阳光孕育了地球上的生命，是地球活动的能量来源。除了能量特性，光还具有动量（即力）的特性。早在17世纪初，德国天文学家Kepler就提出了光压的概念来解释彗星尾巴背离太阳的现象。到了1901年，俄国物理学家Lebedev等人首次在实验上证明了光压的存在。但是，光的力学特性应用直到激光发明后才得到实质的发展。1970年，美国Bell实验室的Ashkin等人首次在实验上利用相向传播的两束高斯光束捕获住了在水中的二氧化硅微球，证明了激光对微粒的散射力。1986年，Ashkin等人利用经高数值孔径聚焦的单束激光实现了对电介质微球的三维捕获，标志着光镊技术的诞生。

3 光镊技术的应用价值

光镊的发明为人类研究微观尺度里的相互作用、深入理解微观世界提供了强有力的工具。光镊就是微观世界中的“镊子”，它可以夹持住微粒并控制微粒移动与旋转。光镊又是不一般的“镊子”，由于其利用光去操控微粒，具有无机械接触和低损伤的特点，而且只要选择合适的低吸收波长，特别是近红外波段，光镊对生物组织的热损伤几乎可以忽略不计，因此光镊技术非常适合生命科学领域的研究。

光镊技术自发明以来广泛用于生命科学、胶体物理、化学等研究领域，包括大分子或单细胞的力学特性研究、DNA与蛋白质分子的相互作用（图1(a)）、胶体粒子之间的相互作用、晶体的结晶过程控制等。光镊技术在原子物理学领域也有广泛的应用，其代表就是利用激光来捕获和冷却原子（图1(b)）。

图1.光镊应用的两个例子。(a)DNA与蛋白质分子的相互作用研究；(b)光学捕获与冷却原子。

4 全息光镊

01 为什么研究全息光镊？

单光镊技术一次只能捕获和操控一个微粒，这限制了其应用范围，人们希望能同时控制多个微粒。利用振镜快速扫描或者多光束耦合可以产生多个光阱，但是这样产生的光阱数有限，缺乏灵活性，而且系统复杂。近年来，全息光镊(Holographic Optical Tweezers，HOT)技术备受关注。它利用空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)等衍射元件调制入射光波前，在物镜焦区得到预期的光场以对微粒进行捕获与操控。

与传统光镊技术相比较，全息光镊技术不仅可以产生任意排列分布的点光阱大阵列来同时捕获多个微粒，而且可通过计算机编程独立控制其中的每一个光阱，实现复杂的动态操控。此外，全息光镊技术通过调制入射光波前可以产生具有特殊模式的光阱，如拉盖尔高斯光束、贝塞尔光束和艾里光束等。

目前市场上已经开始出现商品化的全息光镊操作平台，但大多价格昂贵、功能固定、不便改进。而一般实验室搭建的全息光镊系统又大多存在着系统设计冗余、光路松散、占用空间大和系统稳定性差的缺点。研究团队设计了一套紧凑的全息光镊系统，如图2所示，系统所占空间只有约为45 cm × 45 cm × 40 cm。模块化的设计使得系统稳定性高，兼容性好，可以很好地与荧光显微成像等技术结合，例如与轴平面成像技术相结合可以实现轴平面全息光镊操作与成像。

图2.紧凑型全息光镊装置。

02全息光镊的特点

多光阱同时捕获

通过给空间光调制器加载特定的计算全息图可以调制入射光波前，然后把单束入射光分成多束出射光，从而在物镜焦区产生任意排布的点光阱大阵列。图3所示是利用点光阱大阵列来捕获和排列多个酵母菌细胞的实验结果。

图3.全息光镊按特定图案分布捕获和排布酵母菌细胞(a)和二氧化硅小球(b,c)。

多光阱动态微操控

全息光镊可以独立控制每一个光阱的运动，进而控制微粒移动，实现复杂的多微粒同时动态操控。把提前计算好的CGH图像序列加载到SLM，然后按照一定帧率刷新CGH就可以实现微粒的动态操控，下方视频演示了同时操控8个二氧化硅微球分别做简谐运动和圆周运动。

特殊模式光束微操纵

利用SLM可以调制产生拉盖尔-高斯光束、贝塞尔光束和艾里光束等特殊模式光束。特殊模式光束由于具有比较特殊的相位分布及传播特性，因此在光镊技术中应用广泛，例如利用LG光束旋转微粒研究轨道角动量的传递，利用贝塞尔光束和艾里光束输运微粒来实现微粒的分选等。图4左给出了几种特殊模式光束传播的光强分布示意图，左下角插图是光束的横截面强度分布，不同拓扑荷数LG光束驱动微粒做轨道运动实验由视频演示。

图4.几种特殊模式光束传播的光强分布示意图。括号内数字表示光束的模式阶数。

03 全息光镊轴平面光学操控和成像

全息光镊在焦平面区域的光学捕获和操控已经取得了丰硕的成果，但在轴平面内的光学捕获和观测技术仍然是一个难题。其主要原因是光学捕获和成像通常共用一个高数值孔径的物镜，很短的工作距离限制了轴向观测深度。

研究团队提出了一种基于全息光镊的轴平面光学捕获与成像技术。通过采用特殊设计的样品池和微结构棱镜，将轴平面内信息映射到横向平面观测，突破了传统光学捕获观测技术中操作和观测范围局限于焦平面的限制。提出特殊光场的虚拟源精确描述方法和基于轴平面傅里叶变换的轴平面GS算法，可以准确、快速地描述多种特殊光场，在产生特殊光场时，全息图的计算速度比传统方法可提高几十倍，高效地实现了特殊光场对粒子的轴平面光学捕获。基于此技术，团队首次实现了轴平面全息光镊，可对多目标粒子在三维空间进行任意操控，对特殊光场与粒子相互作用动力学过程进行实时观测。实验展示了贝塞尔光束、艾里光束、蛇形光束等特殊光场对粒子的光学输运过程。轴平面光学捕获和成像技术极大地提升了光学捕获在三维空间操控粒子的能力，在研究特殊光场与粒子相互作用方面具有巨大的潜力。

全息光镊在轴平面产生蛇形光束和捕获输运粒子

5 结语

中国科学院西安光学精密机械研究所姚保利团队自2004年起，在光学微操控和特殊光场与微粒相互作用方面开展了长期的理论和实验研究工作。近年来对全息光镊技术及特殊光场捕获微粒进行了深入的研究。理论预言了径向偏振光束可以改善粒子的轴向捕捉效率；提出采用复源点球面波矢量势描述径向和角向偏振光束的新方法；理论发现紧聚焦柱矢量光场中存在横向学自旋角动量；利用4Pi聚焦系统实现了复杂管状拓扑结构光场。研究成果先后在RPP、PRL、OL、PRA、OE、JOSAB等国际学术刊物上发表论文30余篇，得到了国外同行专家的认可和积极的评价。该团队期待与国内更多科研单位开展合作研究，将光学微操控技术与蓬勃发展的生命科学等领域相结合，共同促进相关领域的发展。