全息光镊：光镊家族中极具活力的成员

 摘要：光镊技术在分子生物学、胶体科学、实验原子物理等领域中具有极其重要的作用，光镊本身也不断发展并产生许多衍生光镊技术。利用全息元件或空间光调制器(SLM)所形成的全息光镊，在多粒子操控方面的优势，为光镊技术走向实用化、规模工业生产打开了新局面，是目前光镊家族极具活力的成员。简述了全息光镊的原理及典型实验光路，详细介绍了该技术在众多领域的最新应用进展以及潜在的应用。

引言

光镊自1986 年发明[1]以来，以其非接触 低损伤等优点，在激光冷却、胶体化学[2~5]分子生物学[6,7]等领域的实验研究中发挥了极其重要的作用。随着光镊技术应用领域的不断扩大，为适应更多的研究需求，光镊技术本身也在向实时可控的复杂光阱方面不断地改进。目前研究人员经过不断地改进实验方法以及控制样品的布朗运动，可以在秒的时间尺度上实现埃量级精度的位移测量[8]。同时可以捕获并观察到最小达 25 nm 的粒子[1]，并有望捕获更小的纳米粒子。

在过去的几十年里，光镊技术的发展使人们较详细地了解在复杂的生物系统中分子的运动机制成为可能。就表现形式而言，光镊仪器由最初的单光束梯度力光阱逐渐演化出了许多类型的光学势阱，如双光镊[9]、三光镊[10， 11]、四光镊[12]、扫描光镊[13， 14]、飞秒光镊[15]等 这一系列光镊的衍生技术不仅丰富了光镊家族，更为生物科学等不同领域在微纳尺度的研究提供了一个非常巧妙的工具，如测量双链 DNA 的解螺旋[16]过程研究分子马达的运动机制[7]分离水稻染色体[17]等。

多光阱操控技术在众多的实验研究中显得越来越重要。光镊技术在一个由简单的单光束梯度力光阱向多光镊及阱位可控的复杂光镊的不断发展过程中，全息光镊作为一种产生多光阱或新型光学势阱的方法脱颖而出 它不仅能构成各种功能的光阱，并且还能实现三维光阱阵列，并且带动了一系列的研究和发展[18， 19]科学家 Grier[18]预言，全息光镊将引发光学操纵的一场技术革命。

2.全息光镊的原理

全息元件是构成全息光镊的关键元件，它是利用底片记录物光和参考光所形成的干涉图样，物光场再现时，只需用原来的参考光照射全息元件，即可获得重建的物光场。全息光镊就是利用全息元件构建的具有特定功能的光场而形成的光镊。所形成的光场性质的不同，全息光镊会实现不同的功能，如单粒子的旋转 多粒子的操控和分选等。最早的全息光镊由芝加哥大学 Eric R. Dufresne 等[20]于 1998 年实现，他们使用衍射光学元件(DOE)将准直的激光束分成多个独立的光束，通过强会聚透镜聚焦后形成多光镊。构建全息光镊的关键是根据实际需要选择合适的全息元件。传统生成全息元件的方法是利用相干光干涉制作的，其缺点是所拍摄的全息元件存在衍射效率低。制作费时以及通用性差等，因而它在全息光镊中并没有得到广泛的应用。

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