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摘要

光鑷技術(shù)在分子生物學(xué)、膠體科學(xué)、實(shí)驗(yàn)原子物理等領(lǐng)域中具有極其重要的作用，光鑷本身也不斷發(fā)展并產(chǎn)生許多衍生光鑷技術(shù)�？臻g光調(diào)制器(SLM)所形成的全息光鑷，在多粒子操控方面的優(yōu)勢(shì)，為光鑷技術(shù)走向?qū)嵱没�、�?guī)模工業(yè)生產(chǎn)打開了新局面，是目前光鑷家族極具活力的成員。本文簡(jiǎn)單介紹了全息光鑷的原理和應(yīng)用，以及市面上唯一的商用全息光鑷系統(tǒng)--美國(guó)Meadowlark（BNS）公司的全息光鑷系統(tǒng)CUBE。

引言

光鑷又稱單光束粒子阱,是A. Ashkin在1969年以來(lái)關(guān)于光與微粒子相互作用實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上于1986 年發(fā)明的。單光束粒子阱實(shí)質(zhì)上是光輻射壓梯度力阱,是基于散射力和輻射壓梯度力相互作用而形成的能夠網(wǎng)羅住整個(gè)米氏和瑞利散射范圍粒子的勢(shì)阱。它是由高度匯聚的單束激光形成的,可彈性地捕獲從幾nm 到幾十μm 的生物或其他大分子微粒 (球) 、細(xì)胞器等,并在基本不影響周圍環(huán)境的情況下對(duì)捕獲物進(jìn)行亞接觸性、無(wú)損活體操作。

光鑷自1986 年發(fā)明以來(lái)，以其非接觸、低損傷等優(yōu)點(diǎn)，在激光冷卻、膠體化學(xué)、分子生物學(xué)等領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)揮了極其重要的作用。隨著光鑷技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，為適應(yīng)更多的研究需求，光鑷技術(shù)本身也在向?qū)崟r(shí)可控的復(fù)雜光阱方面不斷地改進(jìn)。目前研究人員經(jīng)過(guò)不斷地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法以及控制樣品的布朗運(yùn)動(dòng)，可以在秒的時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)埃量級(jí)精度的位移測(cè)量。同時(shí)可以捕獲并觀察到最小達(dá)25 nm 的粒子，并有望捕獲更小的納米粒子。在過(guò)去的幾十年里，光鑷技術(shù)的發(fā)展使人們較詳細(xì)地了解在復(fù)雜的生物系統(tǒng)中分子的運(yùn)動(dòng)機(jī)制成為可能。就表現(xiàn)形式而言，光鑷儀器由最初的單光束梯度力光阱逐漸演化出了許多類型的光學(xué)勢(shì)阱。如雙光鑷、三光鑷、四光鑷、掃描光鑷、飛秒光鑷等。這一系列光鑷的衍生技術(shù)不僅豐富了光鑷家族，更為生物科學(xué)等不同領(lǐng)域在微納尺度的研究提供了一個(gè)非常巧妙的工具，如測(cè)量雙鏈DNA 的解螺旋過(guò)程、研究分子馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制、分離水稻染色體等。多光阱操控技術(shù)在眾多的實(shí)驗(yàn)研究中顯得越來(lái)越重要。光鑷技術(shù)在一個(gè)由簡(jiǎn)單的單光束梯度力光阱向多光鑷及阱位可控的復(fù)雜光鑷的不斷發(fā)展過(guò)程中，全息光鑷作為一種產(chǎn)生多光阱或新型光學(xué)勢(shì)阱的方法脫穎而出。它不僅能構(gòu)成各種功能的光阱，并且還能實(shí)現(xiàn)三維光阱陣列，并且?guī)��?dòng)了一系列的研究和發(fā)展�？茖W(xué)家Grier預(yù)言，全息光鑷將引發(fā)光學(xué)操縱的一場(chǎng)技術(shù)革命。

全息光鑷的原理

全息元件是構(gòu)成全息光鑷的關(guān)鍵元件，它是利用底片記錄物光和參考光所形成的干涉圖樣，物光場(chǎng)再現(xiàn)時(shí)，只需用原來(lái)的參考光照射全息元件，即可獲得重建的物光場(chǎng)。全息光鑷就是利用全息元件構(gòu)建的具有特定功能的光場(chǎng)而形成的光鑷。所形成的光場(chǎng)性質(zhì)的不同，全息光鑷會(huì)實(shí)現(xiàn)不同的功能，如單粒子的旋轉(zhuǎn)、多粒子的操控和分選等。最早的全息光鑷由芝加哥大學(xué)Eric R. Dufresne 等于1998 年實(shí)現(xiàn)，他們使用衍射光學(xué)元件(DOE)將準(zhǔn)直的激光束分成多個(gè)獨(dú)立的光束，通過(guò)強(qiáng)會(huì)聚透鏡聚焦后形成多光鑷。構(gòu)建全息光鑷的關(guān)鍵是根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的全息元件。傳統(tǒng)生成全息元件的方法是利用相干光干涉制作的，其缺點(diǎn)是所拍攝的全息元件存在衍射效率低、制作費(fèi)時(shí)以及通用性差等，因而它在全息光鑷中并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。目前全息光鑷的全息元件多由空間光調(diào)制器(SLM)形成。常見(jiàn)的空間光調(diào)制器有液晶空間光調(diào)制器、磁光空間光調(diào)制器、數(shù)字微鏡陣列(DMD)、多量子阱空間光調(diào)制器以及聲光調(diào)制器等。還可以用紫外光刻來(lái)制作特定的衍射光學(xué)元件來(lái)調(diào)制光場(chǎng)。現(xiàn)在用的較多的是由計(jì)算機(jī)尋址的液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)全息元件，通過(guò)改變?nèi)�息元件就可以使得所形成的光阱作�?dòng)態(tài)變化。

在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，需要采用激光全息的方法形成有限形狀的全息圖。目前在計(jì)算機(jī)的輔助下，可以實(shí)現(xiàn)任意形狀的全息圖。不過(guò)，每實(shí)現(xiàn)一種新設(shè)計(jì)的光阱，都需要重新計(jì)算相應(yīng)的全息圖。隨著計(jì)算機(jī)速度的不斷刷新以及新的算法的出現(xiàn)，在一般的科研實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)可以很容易實(shí)現(xiàn)任意形狀的全息光鑷。原則上全息光鑷可以產(chǎn)生任意形狀、大小、數(shù)量的光阱。通過(guò)改變捕獲光的相位分布，可以使捕獲粒子在光阱中按設(shè)定的路線運(yùn)動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)光鑷分選粒子提供更加方便的工具。隨著激光捕獲技術(shù)的不斷進(jìn)步以及捕獲對(duì)象的不斷變化，傳統(tǒng)的單光束梯度力光阱已經(jīng)不能滿足微觀粒子捕獲的新需求。作為新興的光鑷技術(shù)，全息光鑷的加盟使得光鑷家族充滿活力，全息光鑷在捕獲和操控多粒子和實(shí)現(xiàn)表面等離子體共振捕獲粒子等領(lǐng)域展現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景。充分認(rèn)識(shí)全息光鑷的優(yōu)缺點(diǎn)有助于人們?cè)谠O(shè)計(jì)全息光鑷時(shí)，充分利用其優(yōu)點(diǎn)，克服不足之處，設(shè)計(jì)出滿足實(shí)際需要的性能優(yōu)越的全息光鑷，使之在分子生物學(xué)、生物化學(xué)、納米制造等領(lǐng)域發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為交叉學(xué)科的研究提供更多有價(jià)值的信息。

全息光鑷的典型應(yīng)用

由于光和粒子之間有動(dòng)量或角動(dòng)量的交換，光場(chǎng)成為一個(gè)傳統(tǒng)的非接觸的捕獲、移動(dòng)、拉伸或旋轉(zhuǎn)微觀粒子的工具。傳統(tǒng)的方法利用波片和偏振器件可以獲得具有確定自旋角動(dòng)量的光束，利用一定的全息圖可以獲得具有軌道角動(dòng)量的光束，如渦旋光束等。這使得全息光鑷的應(yīng)用范圍得到擴(kuò)大，在微粒的光致旋轉(zhuǎn)、多粒子的操控和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)方面顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

1 新型空心光場(chǎng)捕獲和旋轉(zhuǎn)微小粒子

光子具有線性動(dòng)量和角動(dòng)量，角動(dòng)量又包括軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量。其中，自旋角動(dòng)量取決于光束的偏振狀態(tài)，它可以通過(guò)棱鏡和波片等來(lái)改變。2007年，Wang 課題組采用納米制造技術(shù)制備出圓柱型的納米石英顆粒。這種顆粒在光鑷中會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而測(cè)量dsDNA 的扭轉(zhuǎn)力和力矩。這種技術(shù)正是利用光子的自旋角動(dòng)量會(huì)使得雙折射粒子發(fā)生旋轉(zhuǎn)的特性。

1991 年Sato 等首次實(shí)現(xiàn)了光鑷中粒子的光致旋轉(zhuǎn)，所采用的光束為旋轉(zhuǎn)的高階Hermite-Gaussian光。之后出現(xiàn)一系列的利用新型光阱來(lái)研究微粒的光致旋轉(zhuǎn)，如空心高斯光束、拉蓋爾-高斯光束、高階貝塞爾光束、面包圈空心光束及LP01 模輸出空心光束等，這些空心光束的優(yōu)勢(shì)是捕獲粒子時(shí)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)小，且具有常用的高斯光束形成的單光束梯度力光阱所不具有的新特性。傳統(tǒng)的全息技術(shù)則推動(dòng)了這些新型光束在光致旋轉(zhuǎn)方面的應(yīng)用研究。軌道角動(dòng)量則與光場(chǎng)的特定空間分布相聯(lián)系。

具有軌道角動(dòng)量的光束可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)的Dove 棱鏡來(lái)產(chǎn)生，但這需要在光學(xué)波長(zhǎng)范疇下很精確的布置棱鏡，實(shí)現(xiàn)較困難，且不能動(dòng)態(tài)改變光束的特性。全息技術(shù)的應(yīng)用克服了上述缺點(diǎn)，它使得人們利用合適的全息圖很容易地獲得具有軌道角動(dòng)量或特定衍射特性的光束，如拉蓋爾-高斯(Laguerre-Gaussian，LG)光束、貝塞爾光束(Bessel Beam)、厄米-高斯(Hermite-Gaussian)光束等。

此外，利用全息技術(shù)產(chǎn)生的新型光阱，如渦旋光阱，在界面所形成的倏逝波形成的近場(chǎng)光鑷可以用來(lái)捕獲和旋轉(zhuǎn)金屬粒子。2008 年，蘇格蘭的圣·安德魯斯大學(xué)的Maria Dienerowitz 等利用LG 光捕獲納米金粒子，他們用接近表面等離子激元共振的光束將金粒子限制在LG 光的暗場(chǎng)區(qū)域，并且利用光子的軌道角動(dòng)量的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)對(duì)同時(shí)捕獲于光阱中的兩個(gè)100 nm 的金納米粒子的旋轉(zhuǎn)。

2 多粒子復(fù)雜運(yùn)動(dòng)

利用光波前校正技術(shù)所產(chǎn)生的力可以在科技和工程應(yīng)用的許多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)快速控制，如全息光鑷可以對(duì)多粒子進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的捕獲和操控。奧地利Innsbruck 醫(yī)學(xué)院的Jesacher 等在用液晶空間光調(diào)制器產(chǎn)生復(fù)雜光波前的實(shí)用性方面進(jìn)行較多的研究。他們通過(guò)分別控制光場(chǎng)的振幅和相位，在預(yù)先設(shè)定形狀的光阱中捕獲和操縱微觀的電介質(zhì)小球。改變光場(chǎng)的振幅和相位，不僅可以實(shí)現(xiàn)十字、矩形、圓形等特殊形狀的光阱，還可以控制粒子在其中沿特定的路徑運(yùn)動(dòng)，原則上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子在任意形狀的光阱中的操控。

3 全息光鑷的其他應(yīng)用

由全息技術(shù)形成的復(fù)雜光鑷在捕獲和操縱微觀粒子或原子等不同場(chǎng)合具有重要的應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)樗�比通常的只能控制光�?chǎng)振幅的光鑷具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。例如，用特制的相位片產(chǎn)生的全息光鑷可以傳輸、分選或控制微小粒子的聚集。

目前，利用全息技術(shù)可以獲得多達(dá)400 個(gè)光阱的全息陣列光鑷，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，還可以對(duì)其中單個(gè)光阱的特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)的改變。這樣產(chǎn)生的實(shí)時(shí)光阱可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的和高分散的物體進(jìn)行捕獲，如病毒、小膠體以及游動(dòng)的細(xì)菌。此外，還可以產(chǎn)生線狀、Bessel型光阱以及帶有角動(dòng)量的光學(xué)旋渦光阱等。這些非尋常的光阱使得在像平面或光軸方向調(diào)整、旋轉(zhuǎn)物體、產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的環(huán)形物體以及獲得其他的非典型的操縱成為可能。這些研究進(jìn)一步擴(kuò)大了全息光鑷的應(yīng)用范圍，使之成為交叉科學(xué)研究殿堂中一朵奇葩。

全息光鑷的特點(diǎn)是可以自由控制多個(gè)粒子，使得粒子的融合、吸附以及粒子間或粒子與表面的相互作用研究得到簡(jiǎn)化。如將病毒植入細(xì)胞或?qū)⒕�子植入卵�?xì)胞，以及用多功能的小球和表面探測(cè)分子間結(jié)合力等。通過(guò)觀察光阱中物體的行為，還可以對(duì)物體或周圍環(huán)境的特性進(jìn)行精確的測(cè)量。多光阱可以在單分子及細(xì)胞膜與流體界面拉伸或彎曲材料。這類實(shí)驗(yàn)可以獲取許多系統(tǒng)中彈性模量、表面能以及吸附力等信息，同時(shí)簡(jiǎn)化了微觀尺度機(jī)械特性的研究。全息光鑷可以用來(lái)組裝特定的結(jié)構(gòu)。使用熒光或者反射光照明，能夠在透明基底或電極上觀察和定位特定的材料。全息光鑷可以將許多具有新的物理或光學(xué)特性的材料組織在三維空間。潛在的應(yīng)用是構(gòu)建光子晶體帶隙材料、制作生物或納米尺度的電子元件以及在電極上沉積不同的材料以便測(cè)量他們的電學(xué)特性。2007 年，美國(guó)的科學(xué)家利用紅外光形成的光鑷在硅片上控制微粒的運(yùn)動(dòng)，他們通過(guò)選擇合適厚度和摻雜濃度的硅片，使之透過(guò)紅外光進(jìn)而能夠被CCD探測(cè)。這項(xiàng)技術(shù)突破了傳統(tǒng)的在液相中捕獲粒子的瓶頸。若將全息光鑷技術(shù)與之結(jié)合，則可以在特定的固體表面組裝一些有意義的結(jié)構(gòu)。

特別要指出的是，在全息光鑷發(fā)明之前，光鑷技術(shù)主要側(cè)重在單粒子的基礎(chǔ)研究方面，全息光鑷在對(duì)多粒子操控方面的優(yōu)勢(shì)，為光鑷技術(shù)走向?qū)嵱没�、�?guī)模工業(yè)生產(chǎn)打開了新局面。

產(chǎn)品舉例

目前市面上商用光鑷系統(tǒng)大多采用聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD），Meadowlark（BNS）公司的全息光鑷系統(tǒng)CUBE是僅有的商用全息光鑷系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)示意圖如下：

與其他采用聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）的光鑷相比，Meadowlark（BNS）公司的全息光鑷系統(tǒng)CUBE具有以下特點(diǎn)：

1.      目前市面商用多光鑷系統(tǒng)均采用聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）高速調(diào)制激光形成不同光阱，只能做到二維（x,y方向）平面操控，如平移等。液晶空間光調(diào)制器對(duì)光可以進(jìn)行強(qiáng)度和相位調(diào)制，為真3D操控。不僅可以平移，還可以對(duì)微粒及細(xì)胞進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)等操控。

2.      由于可以對(duì)光進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，液晶空間光調(diào)制器可以校正相差，調(diào)節(jié)激光光斑，使光阱分布更趨于理想化。

（a）    加載在SLM上用于校正相差的相位圖（b）校正前光斑（c）校正后光斑

3.      液晶空間光調(diào)制器（SLM）衍射效率大于90%，比聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）高，對(duì)激光的利用率更高。

4.      不同于聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）是通過(guò)高速切換來(lái)形成多個(gè)光阱，液晶空間光調(diào)制器（SLM）能同時(shí)生成多個(gè)聚焦光束，每個(gè)光束形成一個(gè)獨(dú)立的光阱，故而光阱的穩(wěn)定型更好。

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