锐光凯奇（镇江）光电科技有限公司专注于发展高端科研仪器集成化，目前是国内外唯一可以提供整个科研仪器系统集成化的供应商，为客户提供优质、高效的服务。本期公众号非常荣幸地邀请到西安交通大学雷铭教授团队为大家介绍光镊：微观世界的“镊子”和探针。欢迎更多的专家学者、研究生和我们一起分享研发经验和科研成果，共同提高，为光学事业做出贡献！

作者简介：

雷铭，教授，博士生导师，2015年国家基金委优秀青年科学基金获得者，2016年中国科学院拔尖青年科学家基金获得者，2017年中国科学院青年促进会优秀会员，2018年入选西安交通大学青年拔尖人才A类，2021年陕西省科技创新团队负责人。中国激光杂志社青年编辑委员会常务委员，中国光学学会生物医学光子学专业委员会青年工作组副组长，中国光学学会高速摄影和光子学专业委员会委员,中国仪器仪表学会显微仪器分会理事。主要从事先进光学成像以及多功能光学微操纵技术的研究。对突破光学衍射极限的细胞成像，特殊光束光学微操纵，非线性光学显微等问题进行了系统地研究。在《Physical Review Letters》、《Optics Letters》等国际刊物上发表论文100余篇，第一发明人授权中国发明专利9项，授权美国发明专利1项。曾获2004年度中科院刘永龄奖学金特别奖；2005年度中科院院长奖；2006年度“陕西省科学技术奖一等奖”；2010年度“陕西省科学技术奖一等奖”；2013年度“陕西省科学技术奖二等奖”；2016年度“中国光学工程学会科技创新二等奖”。

光镊：微观世界的“镊子”和探针

何旻儒 梁言生 雷铭*

*ming.lei@mail.xjtu.edu.cn

2018年，美国物理家Arthur Ashkin因发明“光镊（Optical Tweezers，OT）”^[1]技术与其他两位物理学家共同获得了诺贝尔物理学奖。光镊，顾名思义就是可以将光像镊子一样操纵微粒，即利用紧聚焦激光束可以同时对多个粒子进行三维空间内的捕获和动态操控。本质上，光镊对粒子的捕获是由于动量守恒而产生的辐射力的作用结果。激光将粒子束缚在光阱中心的位置（图1a），当粒子的位置有一定范围内的偏移时，强聚焦激光的梯度力会将粒子拉回到中心位置，使得粒子处于动态平衡（图1b）。实现稳定三维捕获的重点就是粒子所受的梯度力、散射力以及非光学力的共同作用能否将粒子束缚在光阱中。

图1 光镊工作原理示意图

光的力学特性在1619年首次被开普勒（Kepler）所发现，他用光压（SunlightPressure）来解释彗星的尾巴现象：彗星在接近太阳的运动过程中，在其背向太阳的方向会形成一条如扫帚般的尾巴。到了十九世纪，Maxwell电磁场理论预言了光的动量传递能够对被其照明的物体产生沿光传播方向的辐射力^[2]。二十世纪初，Lebedev^[3]利用聚焦的灯光照明扭秤上的反射镜首次实验观测到了光的辐射压力，Beth则观测到了圆偏振光对悬挂在细光纤上的石英半波片的作用力^[4]。普通光源的力效应非常小，以至于难以被观测到，因此直到激光器被发明^[5]后光学捕获与微操纵技术才得以诞生。

激光束对于微粒的力学作用是非常明显的，因此很容易被观察到。这样的光学力很容易通过一束被一个平面反射镜反射的、功率为P、角频率为ω的激光束来分析。根据量子力学理论，一个光子携带的动量为p=ℏω/c，其中ℏ=h/(2π)为约化普朗克常数，h为普朗克常数，c为光速。在这种情况下，每秒击打在反射镜上的光子数为P/(ℏω)，其中ℏω是每个光子携带的能量。如果所有光子都被镜子反射，则每秒钟总的动量改变量（即受力）为：F=2(P/ℏω)(ℏω/c)=2P/c。当激光功率P为1 mW，力F≈6.67 pN。考虑到光束和镜子的总动量守恒，镜子会受到与光束传播方向相反的冲击力。这时我们可以得到一光束的最大作用力。这样的光学作用力在微观粒子的相互作用中可以产生非常显著的效应。

光镊技术可探测或者实施的作用力在飞牛（10^-15N）至数百皮牛（10^-10N）之间，涵盖了大部分尺寸在数十微米以下的微粒相互作用力^[6]。其研究对象范围非常广，包括从亚纳米尺度的原子到数十微米大小的生物细胞，如图2所示^[6]。通过研究这些微粒的相互作用，如细菌的鞭毛作用、胶体粒子的静电作用等，有助于我们更加透彻地解释生命活动过程、物理的基本规律和其它生物化学过程。

图2 光学微操纵的研究对象^[6]

随着仪器设备与理论分析的深入，单光束对单个粒子进行三维捕获的单光阱已经很难满足许多应用场景对光镊技术的需求。之后的三十年间，光镊技术得到了飞速的发展，已经从简单的光学捕获（Optical Trapping）、光学输运（Optical Guiding）等功能发展为利用多种新型光束实现光致旋转（Optical Rotation）以及粒子的自由空间自加速等，光场也由点光阱、涡旋光场等简单光场逐渐实现了轴平面捕获与成像、三维任意路径光场等（图3）。

图3 光镊的发展历程

微粒在光场中的受力与光场的强度、相位和偏振态等因素息息相关。其中，光场强度梯度是影响捕获效率的重要因素，而光场相位分布则提供了更为丰富的操纵功能，光场的偏振态也是影响光阱特性的重要因素。因此，通过调控光场的强度、相位和偏振可以实现非常丰富的微粒操控手段和功能。动态空间光调制器提供了光场调控的无限可能。利用空间光调制器对光束的振幅或者相位进行调制，可以产生复杂的点光阱阵列，还可以调制产生具有特殊模式的光束，甚至可以调制产生具有任意强度分布、并且随时间变化的光场。基于这样的特性，全息光镊不仅可以实现多个微粒的捕获与任意排列，并且可独立操纵其中的每一个微粒^[7，8]。

西安交通大学雷铭教授课题组长期进行先进光学成像和光场调控与光镊技术研究，在《Reports on Progress inPhysics》、《Physical Review Letters》等国际刊物上发表论文100余篇，授权中国发明专利12项，授权美国发明专利1项，开发了多套光镊设备。如图4所示是新开发的微型单光镊设备，该仪器能够实现几百纳米至十几微米尺寸的微粒的三维稳定捕获与成像，仅需简单调节即可使用，稳定性高，特别适合于本科生教学的光力效应演示。 

图4 微型单光镊实物图（http://www.opticaltweezers.net/）

相较于单光镊，全息光镊更加复杂，能够实现更多的功能，如图5所示为紧凑型全息光镊系统，通过纯相位调控实现多光阱三维动态捕获、光学旋转、光学输运等功能，可应用在生命科学和物理化学等领域，以及气溶胶科学等交叉学科的基础研究。

图5 全息光镊实物图（http://www.opticaltweezers.net/）

References

[1]    Ashkin A, Dziedzic J M,Bjorkholm J E, et al. Observation of a single-beamgradient force optical trap for dielectric particles[J]. Optics Letters, 1986,11(5), 288-290.

[2]    Maxwell J C. A treatise onelectricity and magnetism[M], vol. 1, 1881.

[3]    Lebedev P N. Experimentalexamination of light pressure[J]. Nuovo Cimento, 1883, 15(195), 195.

[4]    Beth R A. MechanicalDetection and Measurement of the Angular Momentum of Light[J]. Physical Review,1936, 50(2), 115-125.

[5]    Maiman T H. StimulatedOptical Radiation in Ruby[J]. Nature, 1960, 187, 493.

[6]    MaragòO M, Jones P H, Gucciardi P G, et al. Optical trapping and manipulation ofnanostructures[J]. Nature Nanotechnology, 2013, 8(11), 807-819.

[7]    Dufresne E R, Grier D G.Optical tweezer arrays and optical substrates created with diffractiveoptics[J]. Review of Scientific Instruments, 1998, 69(5), 1974-1977.

[8]    Guo C-S, Yu Y-N, Hong Z.Optical sorting using an array of optical vortices with fractional topologicalcharge[J]. Optics Communications, 2010, 283(9), 1889-1893.

再次感谢西安交通大学雷铭教授团队，在百忙中给读者介绍光镊：微观世界的“镊子”和探针的研发工作，祝雷老师教授团队未来取得更大的成绩！

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