現(xiàn)代光學(xué)顯微技術(shù)發(fā)展迅速，超分辨光學(xué)顯微成像技術(shù)分辨率已達到了納米級別，為生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展提供了強有力的工具。但是對于微觀尺度的研究來說，除了“看得清”，還需要“摸得著”，而光鑷就是那只“摸得著”微觀粒子的“手”。迄今為止，與光鑷技術(shù)相關(guān)的工作已獲得三次諾貝爾物理獎：1997年激光原子冷卻技術(shù)、2001年玻色愛因斯坦凝聚以及2018年光鑷技術(shù)。

  一束平行激光被顯微物鏡聚焦后會得到一個微米尺度的光斑。物鏡數(shù)值孔徑越大，聚焦的光斑越小（可以達到幾百納米），其電場強度梯度越大。對于電介質(zhì)微粒來說，強聚焦光斑就是一個三維光學(xué)勢阱，微粒會被束縛在其勢能最低處。若微粒偏離勢能最低點，就會受到指向勢能最低點的恢復(fù)力的作用。由激光束強聚焦形成的光斑對于電介質(zhì)微粒來說就像是一個“陷阱”，粒子被捕獲在其中，如果移動聚焦光斑，微粒就會跟著光斑移動。這樣一個強聚焦光斑可以對微粒實施捕獲、移動和旋轉(zhuǎn)等微操控，就像一把“鑷子”，因而被稱為光鑷(Optical Tweezers)。

2 光鑷技術(shù)的誕生

  太陽光孕育了地球上的生命，是地球活動的能量來源。除了能量特性，光還具有動量（即力）的特性。早在17世紀初，德國天文學(xué)家Kepler就提出了光壓的概念來解釋彗星尾巴背離太陽的現(xiàn)象。到了1901年，俄國物理學(xué)家Lebedev等人首次在實驗上證明了光壓的存在。但是，光的力學(xué)特性應(yīng)用直到激光發(fā)明后才得到實質(zhì)的發(fā)展。1970年，美國Bell實驗室的Ashkin等人首次在實驗上利用相向傳播的兩束高斯光束捕獲住了在水中的二氧化硅微球，證明了激光對微粒的散射力。1986年，Ashkin等人利用經(jīng)高數(shù)值孔徑聚焦的單束激光實現(xiàn)了對電介質(zhì)微球的三維捕獲，標(biāo)志著光鑷技術(shù)的誕生。

3 光鑷技術(shù)的應(yīng)用價值

  光鑷的發(fā)明為人類研究微觀尺度里的相互作用、深入理解微觀世界提供了強有力的工具。光鑷就是微觀世界中的“鑷子”，它可以夾持住微粒并控制微粒移動與旋轉(zhuǎn)。光鑷又是不一般的“鑷子”，由于其利用光去操控微粒，具有無機械接觸和低損傷的特點，而且只要選擇合適的低吸收波長，特別是近紅外波段，光鑷對生物組織的熱損傷幾乎可以忽略不計，因此光鑷技術(shù)非常適合生命科學(xué)領(lǐng)域的研究。

  光鑷技術(shù)自發(fā)明以來廣泛用于生命科學(xué)、膠體物理、化學(xué)等研究領(lǐng)域，包括大分子或單細胞的力學(xué)特性研究、DNA與蛋白質(zhì)分子的相互作用（圖1(a)）、膠體粒子之間的相互作用、晶體的結(jié)晶過程控制等。光鑷技術(shù)在原子物理學(xué)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，其代表就是利用激光來捕獲和冷卻原子（圖1(b)）。

01 為什么研究全息光鑷？

單光鑷技術(shù)一次只能捕獲和操控一個微粒，這限制了其應(yīng)用范圍，人們希望能同時控制多個微粒。利用振鏡快速掃描或者多光束耦合可以產(chǎn)生多個光阱，但是這樣產(chǎn)生的光阱數(shù)有限，缺乏靈活性，而且系統(tǒng)復(fù)雜。近年來，全息光鑷(Holographic Optical Tweezers，HOT)技術(shù)備受關(guān)注。它利用空間光調(diào)制器(Spatial Light Modulator，SLM)等衍射元件調(diào)制入射光波前，在物鏡焦區(qū)得到預(yù)期的光場以對微粒進行捕獲與操控。

與傳統(tǒng)光鑷技術(shù)相比較，全息光鑷技術(shù)不僅可以產(chǎn)生任意排列分布的點光阱大陣列來同時捕獲多個微粒，而且可通過計算機編程獨立控制其中的每一個光阱，實現(xiàn)復(fù)雜的動態(tài)操控。此外，全息光鑷技術(shù)通過調(diào)制入射光波前可以產(chǎn)生具有特殊模式的光阱，如拉蓋爾高斯光束、貝塞爾光束和艾里光束等。

目前市場上已經(jīng)開始出現(xiàn)商品化的全息光鑷操作平臺，但大多價格昂貴、功能固定、不便改進。而一般實驗室搭建的全息光鑷系統(tǒng)又大多存在著系統(tǒng)設(shè)計冗余、光路松散、占用空間大和系統(tǒng)穩(wěn)定性差的缺點。研究團隊設(shè)計了一套緊湊的全息光鑷系統(tǒng)，如圖2所示，系統(tǒng)所占空間只有約為45 cm × 45 cm × 40 cm。模塊化的設(shè)計使得系統(tǒng)穩(wěn)定性高，兼容性好，可以很好地與熒光顯微成像等技術(shù)結(jié)合，例如與軸平面成像技術(shù)相結(jié)合可以實現(xiàn)軸平面全息光鑷操作與成像。

02 全息光鑷的特點

• 多光阱同時捕獲
  

通過給空間光調(diào)制器加載特定的計算全息圖可以調(diào)制入射光波前，然后把單束入射光分成多束出射光，從而在物鏡焦區(qū)產(chǎn)生任意排布的點光阱大陣列。圖3所示是利用點光阱大陣列來捕獲和排列多個酵母菌細胞的實驗結(jié)果。

• 多光阱動態(tài)微操控

全息光鑷可以獨立控制每一個光阱的運動，進而控制微粒移動，實現(xiàn)復(fù)雜的多微粒同時動態(tài)操控。把提前計算好的CGH圖像序列加載到SLM，然后按照一定幀率刷新CGH就可以實現(xiàn)微粒的動態(tài)操控，下方視頻演示了同時操控8個二氧化硅微球分別做簡諧運動和圓周運動。

• 特殊模式光束微操縱

利用SLM可以調(diào)制產(chǎn)生拉蓋爾-高斯光束、貝塞爾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較特殊的相位分布及傳播特性，因此在光鑷技術(shù)中應(yīng)用廣泛，例如利用LG光束旋轉(zhuǎn)微粒研究軌道角動量的傳遞，利用貝塞爾光束和艾里光束輸運微粒來實現(xiàn)微粒的分選等。圖4左給出了幾種特殊模式光束傳播的光強分布示意圖，左下角插圖是光束的橫截面強度分布，不同拓撲荷數(shù)LG光束驅(qū)動微粒做軌道運動實驗由視頻演示。

03 全息光鑷軸平面光學(xué)操控和成像

全息光鑷在焦平面區(qū)域的光學(xué)捕獲和操控已經(jīng)取得了豐碩的成果，但在軸平面內(nèi)的光學(xué)捕獲和觀測技術(shù)仍然是一個難題。其主要原因是光學(xué)捕獲和成像通常共用一個高數(shù)值孔徑的物鏡，很短的工作距離限制了軸向觀測深度。

研究團隊提出了一種基于全息光鑷的軸平面光學(xué)捕獲與成像技術(shù)。通過采用特殊設(shè)計的樣品池和微結(jié)構(gòu)棱鏡，將軸平面內(nèi)信息映射到橫向平面觀測，突破了傳統(tǒng)光學(xué)捕獲觀測技術(shù)中操作和觀測范圍局限于焦平面的限制。提出特殊光場的虛擬源精確描述方法和基于軸平面傅里葉變換的軸平面GS算法，可以準(zhǔn)確、快速地描述多種特殊光場，在產(chǎn)生特殊光場時，全息圖的計算速度比傳統(tǒng)方法可提高幾十倍，高效地實現(xiàn)了特殊光場對粒子的軸平面光學(xué)捕獲?；诖思夹g(shù)，團隊首次實現(xiàn)了軸平面全息光鑷，可對多目標(biāo)粒子在三維空間進行任意操控，對特殊光場與粒子相互作用動力學(xué)過程進行實時觀測。實驗展示了貝塞爾光束、艾里光束、蛇形光束等特殊光場對粒子的光學(xué)輸運過程。軸平面光學(xué)捕獲和成像技術(shù)極大地提升了光學(xué)捕獲在三維空間操控粒子的能力，在研究特殊光場與粒子相互作用方面具有巨大的潛力。

中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所姚保利團隊自2004年起，在光學(xué)微操控和特殊光場與微粒相互作用方面開展了長期的理論和實驗研究工作。近年來對全息光鑷技術(shù)及特殊光場捕獲微粒進行了深入的研究。理論預(yù)言了徑向偏振光束可以改善粒子的軸向捕捉效率；提出采用復(fù)源點球面波矢量勢描述徑向和角向偏振光束的新方法；理論發(fā)現(xiàn)緊聚焦柱矢量光場中存在橫向?qū)W自旋角動量；利用4Pi聚焦系統(tǒng)實現(xiàn)了復(fù)雜管狀拓撲結(jié)構(gòu)光場。研究成果先后在RPP、PRL、OL、PRA、OE、JOSAB等國際學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文30余篇，得到了國外同行專家的認可和積極的評價。該團隊期待與國內(nèi)更多科研單位開展合作研究，將光學(xué)微操控技術(shù)與蓬勃發(fā)展的生命科學(xué)等領(lǐng)域相結(jié)合，共同促進相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

相關(guān)參考文獻：

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原文鏈接：光鑷 — 世界上最精密的鑷子

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