新一代光镊——全息光镊

全息光镊的典型应用

由于光和粒子之间有动量或角动量的交换，光场成为一个传统的非接触的捕获、移动、拉伸或旋转微观粒子的工具。传统的方法利用波片和偏振器件可以获得具有确定自旋角动量的光束，利用一定的全息图可以获得具有轨道角动量的光束，如涡旋光束等。这使得全息光镊的应用范围得到扩大，在微粒的光致旋转、多粒子的操控和复杂运动方面显示出其独特的优势。

1.新型空心光场捕获和旋转微小粒子

光子具有线性动量和角动量，角动量又包括轨道角动量和自旋角动量。其中，自旋角动量取决于光束的偏振状态，它可以通过棱镜和波片等来改变。2007年，Wang 课题组采用纳米制造技术制备出圆柱型的纳米石英颗粒。这种颗粒在光镊中会发生旋转，进而测量dsDNA 的扭转力和力矩。这种技术正是利用光子的自旋角动量会使得双折射粒子发生旋转的特性。

1991 年Sato 等首次实现了光镊中粒子的光致旋转，所采用的光束为旋转的高阶Hermite-Gaussian光。之后出现一系列的利用新型光阱来研究微粒的光致旋转，如空心高斯光束、拉盖尔-高斯光束、高阶贝塞尔光束、面包圈空心光束及LP01 模输出空心光束等，这些空心光束的优势是捕获粒子时所产生的热效应小，且具有常用的高斯光束形成的单光束梯度力光阱所不具有的新特性。传统的全息技术则推动了这些新型光束在光致旋转方面的应用研究。轨道角动量则与光场的特定空间分布相联系。

具有轨道角动量的光束可以通过旋转的Dove 棱镜来产生，但这需要在光学波长范畴下很精确的布置棱镜，实现较困难，且不能动态改变光束的特性。全息技术的应用克服了上述缺点，它使得人们利用合适的全息图很容易地获得具有轨道角动量或特定衍射特性的光束，如拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian，LG)光束、贝塞尔光束(Bessel Beam)、厄米-高斯(Hermite-Gaussian)光束等。

此外，利用全息技术产生的新型光阱，如涡旋光阱，在界面所形成的倏逝波形成的近场光镊可以用来捕获和旋转金属粒子。2008 年，苏格兰的圣•安德鲁斯大学的Maria Dienerowitz 等利用LG 光捕获纳米金粒子，他们用接近表面等离子激元共振的光束将金粒子限制在LG 光的暗场区域，并且利用光子的轨道角动量的转移，实现对同时捕获于光阱中的两个100 nm 的金纳米粒子的旋转。

2.多粒子复杂运动

利用光波前校正技术所产生的力可以在科技和工程应用的许多领域实现快速控制，如全息光镊可以对多粒子进行实时动态的捕获和操控。奥地利Innsbruck 医学院的Jesacher 等在用液晶空间光调制器产生复杂光波前的实用性方面进行较多的研究。他们通过分别控制光场的振幅和相位，在预先设定形状的光阱中捕获和操纵微观的电介质小球。改变光场的振幅和相位，不仅可以实现十字、矩形、圆形等特殊形状的光阱，还可以控制粒子在其中沿特定的路径运动，原则上可以实现对粒子在任意形状的光阱中的操控。

3.全息光镊的其他应用

由全息技术形成的复杂光镊在捕获和操纵微观粒子或原子等不同场合具有重要的应用价值，因为它比通常的只能控制光场振幅的光镊具有更强的适应性。例如，用特制的相位片产生的全息光镊可以传输、分选或控制微小粒子的聚集。

目前，利用全息技术可以获得多达400 个光阱的全息阵列光镊，结合计算机技术，还可以对其中单个光阱的特性进行动态的改变。这样产生的实时光阱可以对运动的和高分散的物体进行捕获，如病毒、小胶体以及游动的细菌。此外，还可以产生线状、Bessel型光阱以及带有角动量的光学旋涡光阱等。这些非寻常的光阱使得在像平面或光轴方向调整、旋转物体、产生旋转的环形物体以及获得其他的非典型的操纵成为可能。这些研究进一步扩大了全息光镊的应用范围，使之成为交叉科学研究殿堂中一朵奇葩。