简介

光具有能量和动量， 经典光学主要是以电磁辐射本身为研究对象， 而近代光学的发展则是以光与物质相互作用为重要的研究内容。20 世纪 60 年代激光的发明， 为人们研究光与物质相互作用提供了一种崭新的光源， 其中高简并度的激光束使得光镊技术得以问世。光镊技术是光的力学效应的典型实例， 它直观充分的展现了光具有动量这一基本属性。光镊技术的发明不仅丰富和推进了光学领域的发展， 也为光学与其他多学科的交叉融合架起了一座桥梁， 彰显出了它独特而不可替代的作用。从 Ashkin 等1986 年发表的第一篇单光束光镊论文起， 已经历了约 30 年。光镊从鲜为人知， 集中在少数物理学家的实验室中， 只能简单地操控微米细胞到目前可以实现对单分子亚纳米级精度的测量， 极大地促进了定量生物学的发展。光镊技术已成为众多学科的科学家渴望的工具。

理论发展概况

光镊技术的理论主要是利用各种计算方法研究聚焦光束与微粒的相互作用力。首先是单光束梯度力阱与微粒的相互作用及其对微粒的控制； 其次是新型光束聚焦后形成新的光阱特性。另外， 还有一类是光镊系统设计和应用中遇到的光场畸变的问题。单光束梯度力阱理论是光镊理论的基础。从原理上研究单光束梯度力阱能清楚地理解光俘获机理和影响光阱力的因素； 从工程方面研究可以推导如何提高光镊的品质， 如何优化光镊仪器。各种新功能的光镊的出现， 需要学者们更好地理解和运用， 揭示隐藏在实验现象背后的物理规律。

光镊光场的理论光镊是由强会聚的激光束形成的光学势阱， 研究微粒在光阱中受到的光阱力的理论模型有几何光学(RO)近似模型和电磁(EM)模型。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。RO 模型广泛应用于光阱力大小的计算， 研究光束发散特性对光学悬浮的影响。结合高斯光束标量理论]计算强聚焦光束对微粒的俘获力。不考虑光的波动性， 研究光阱里微球在横向、 轴向和任意位移后的受力， 入射光在空间不同方位的追迹方式等。RO 模型理论便于分析微粒三维空间受到的应力， 进而可以分析不规则微粒(如椭球)受到光阱的应力及其动力学特性利用 RO 模型分析光阱中微粒的受力， 能很好地指导实验设计和理解实验现象。

新型光镊光场的研究光与物质相互作用依赖于光场内在的性质， 如能量和动量， 也依赖于这些物理量的空间分布， 如光场的强度梯度等。因此， 调控这些光场的性质会直接改变光与物质相互作用的结果， 这为直接控制光捕获提供了一个重要的途径。而光场性质的变化可以通过光场调制来实现， 例如振幅、 相位和偏振的调制。所以， 光镊一个特别重要的发展趋势是结合各种新型光场来实现特殊或复杂的操控功能。新型光镊光场的研究得益于复杂光场调制技术的快速发展， 如空间光调制技术。新型光场光镊不仅能够实现对不同材质、 不同大小的微粒多自由度操控， 而且可以通过计算机控制， 方便地实现实时智能的操控， 大大拓展了光镊的应用范围。

新型光场包括涡旋光束、 非衍射和自修复光束、 自加速光束以及矢量光束等。涡旋光束与相位奇点相关， 本身携带轨道角动量， 在与物质相互作用过程中可以将角动量传递给微粒， 从而导致微粒在光场中做旋转运动。常见的涡旋光束有拉盖尔高斯光束(Laguerre-Gaussian beam)和贝塞尔光束(Bessel beam)。其中贝塞尔光束属于非衍射和自修复光束， 相比于高斯型光束， 贝塞尔光束可传播较远距离而保持中心光斑的大小和尺寸基本不变， 而且在传输过程中遇到障碍物阻挡后能很快恢复原来的光场分布。由于贝塞尔光束在传播过程中具有很好的稳定性， 故被用于引导微粒沿轴向输运距离可达 3 mm， 这个间距远远大于高斯型光束的光镊的轴向捕获深度。并且， 在轴向 3 mm 距离中可以实现多个平面长距离捕获多微粒。非衍射光束还包括马提厄光束(Mathieu beam)、 抛物线光束(parabolic beam)]、 艾里光束(Airy beam) 等。其中抛物线光束和艾里光束也是一种自加速光束。自加速光束在沿轴向传播过程中以某个角度弯曲而不沿直线传播， 看起来像是在自由空间中加速。这种光束在光操控中可以用于沿着设定的轨迹输运微粒。自加速光束还有韦伯光束(Weber beam)和螺旋光束(spiral beams) 等。此外， 不均匀的偏振光场， 如径向偏振光束和角向偏振光束， 具有优越的会聚特性[36]， 使得矢量光束在操控纳米粒子， 特别是金属纳米粒子方面具有明显的优势。

光镊技术的应用特点

光镊作用的对象多为液体中的微粒， 介质与布朗力成为光镊在液相中工作的特点。光镊通过手柄小球间接操控单分子， 所以手柄小球是研究单分子的桥梁， 要达到亚纳米级精度的测量， 超稳定系统成为实验研究的保障。

介质与布朗力光镊是光与物体相互作用的结果， 光与物体是通过介质相互作用的。常用的介质为液体， 而液体的温度、 粘度和折射率等物理参数决定了介质的性质。因此， 不同的液体性质和参数直接影响光与物体相互作用， 影响到光捕获效果。介质的选择首先是光学透明且折射率要小于被捕获的微粒的折射率， 折射率n与被捕获物体的折射率n0之差越大， 越有利于捕获。其次要考虑介质的化学性质及其与微粒相互作用的影响。

光镊操控的微粒相当于胶体体系中的分散项， 微粒所在的溶液， 即介质为分散剂。一方面可以方便地利用介质， 通过改变介质的参数设计实验方案， 研究待定的科学问题。另一方面， 介质的温度随环境的易变性， 介质粘度影响光操控和施力大小， 不同介质的折射率存在差异， 这些因素同时也为实验方案的设计和实验精确测量增加了难度。故介质在光镊的应用中扮演着非常重要的角色。

在光捕获微粒的过程中， 微粒受到很多种力的作用， 其中水的粘滞阻力和布朗力在光捕获中是非常重要的， 测量光阱力及其光阱参数主要利用了这两个力， 而粘滞阻力和布朗力则是研究软物质胶体体系的重要参量。介质的性质决定了布朗力的大小。在利用光镊技术操控和测力的过程中， 介质和布朗力的影响时刻伴随其中， 而布朗力是否可以忽略， 取决于所关注的科学问题和实验精度。手柄小球与生物单分子操控远场显微镜不能观测纳米尺度的微粒， 光镊操控纳米微粒是通过直接可控的微米小球作为手柄间接操控纳米微粒， 例如操控脱氧核糖核酸(DNA)、 蛋白质、 核酸等生物大分子。手柄微球分为结构型和功能型。当利用光镊拉伸 DNA 或蛋白质微丝时， DNA 或微丝的两端需要结合手柄微球才能被光镊操控， 此时微球仅仅起到手柄的作用。而在研究抗体-抗原结合力以及分子马达动力学行为时， 需要将蛋白质分子修饰在微球表面， 此时微球同时也是研究对象的载体。

超低噪声与亚纳米级精度的测量单分子研究要求光镊仪器测量精度达到亚纳米量级， 如何实现高精度的测量， 目前主要有以下三种途径。首先， 在硬件配置上尽量避免各种机械噪声， 选择优良的器件， 高的时间分辨和高精度的空间分辨率。将实验室建在地下室， 仪器置放在气垫隔振平台上并且全封闭。在仪器的设计和环境条件中， 尽量降低空气对流、 声音震动、 磁场等外界干扰以保证系统在良好的稳定状态运行[48]。采取反馈控制也是提高光镊探测精度的有效方法， 反馈控制采取定点实验和定力测量来消除激光器光强的波动和消除物镜的漂移等等， 提高仪器测量的分辨率和光镊在三维空间的稳定性。

光镊技术的应用

光镊诞生之时， 正值纳米科技蓬勃发展之际。人类对自然界和自身的认识深入到对个体微观机理和功能的定量研究， 以便自主掌握客观规律和改造自然。光镊一问世， 科学家们就预感用光力控制微米尺度微粒的技术具有不可估量的发展前景和应用潜质。近 30 年来， 基于单光束光力可控微粒的应用研究， 确实证明了该技术的独到和不可或缺的价值及其广阔的应用领域。光镊的应用可归纳为四类， 即光镊与细胞生物学、 光镊与单分子生物学、 光镊与胶体科学以及光镊与物理学 4 个学科领域， 光镊在这些领域已成功解决了许多的重大科学问题。

光镊在物理学领域应用， 可以证实以前无法通过实验验证的物理规律， 增进人们对于已有的物理现象和规律的认识， 还能为物理的其他学科领域提供新的研究方法和实验技术， 例如在光的力学效应验证和力的精确测量、 声学显微、 布朗运动、 纳米技术、 量子力学等应用， 表明光镊正日益成为促进物理学进展的重要工具。

布朗运动的新认识1907 年， 爱因斯坦认为能量均分定理适用于布朗微粒， 但是因为单个微粒的瞬时速度变化太快， 所以这个预言难以从实验上直接证明。2010 年， Science 杂志报道， 采用光镊技术在真空中测量了微粒的瞬时速度，首次从实验上成功地验证了布朗微粒符合能量均分定理。光镊测量布朗粒子的瞬时速度的方法利用两束正交偏振相向传播的光束形成的光阱将 3 μm 小球悬浮在空中。采用快速的位置探测器， 严格均等分开的两束探测光强信号的差别获取小球位置信息。系统测量的是x方向位移随时间的变化。其中实线是麦克斯韦 -玻尔兹曼速度分布曲线 ， 三角信号是噪声 ， 测量得到单个微粒的布朗运动的瞬时速度约等于0.422 mm/s ， 实验误差为 0.021 mm/s。与能量均分定理的预期值 (kBT/m=0.429 mm/s)很接近， 从而直接证明了布朗运动的麦克斯韦-玻尔兹曼速度分布和能量均分定理。

光镊操控金刚石氮-空位色心金刚石氮-空位(NV)色心近年来受到广泛关注， 因为它在量子光学、 生物荧光标记等领域中有着非常广阔的应用前景。特别是， NV 的荧光非常稳定， 可以作为一种良好的单光子源。此外， 由于 NV 的电子自旋相干时间可达毫秒量级， 它被认为在未来的量子计算机研制中十分具有潜力。NV 也可作为纳米尺寸的传感器， 用于磁场、 电场、 温度等物理量的测量。如何控制金刚石中的 NV 色心纳米颗粒是其应用中的一个技术瓶颈， 然而具有操控微粒功能的光镊技术则能恰到好处地解决这个困难。

光镊技术的展态势