什么是光镊技术？

光具有能量和动量， 经典光学主要是以电磁辐射本身为研究对象， 而近代光学的发展则是以光与物质相互作用为重要的研究内容。20 世纪 60 年代激光的发明， 为人们研究光与物质相互作用提供了一种崭新的光源， 其中高简并度的激光束使得光镊技术得以问世。光镊技术是光的力学效应的典型实例， 它直观充分的展现了光具有动量这一基本属性。光镊技术的发明不仅丰富和推进了光学领域的发展， 也为光学与其他多学科的交叉融合架起了一座桥梁， 彰显出了它独特而不可替代的作用。从 Ashkin 等1986 年发表的第一篇单光束光镊论文起， 已经历了约 30 年。光镊从鲜为人知， 集中在少数物理学家的实验室中， 只能简单地操控微米细胞到目前可以实现对单分子亚纳米级精度的测量， 极大地促进了定量生物学的发展。光镊技术已成为众多学科的科学家渴望的工具 。

光镊技术的理论主要是利用各种计算方法研究聚焦光束与微粒的相互作用力。首先是单光束梯度力阱与微粒的相互作用及其对微粒的控制； 其次是新型光束聚焦后形成新的光阱特性。另外， 还有一类是光镊系统设计和应用中遇到的光场畸变的问题。

单光束梯度力阱理论是光镊理论的基础。从原理上研究单光束梯度力阱能清楚地理解光俘获机理和影响光阱力的因素； 从工程方面研究可以推导如何提高光镊的品质， 如何优化光镊仪器。各种新功能的光镊的出现， 需要学者们更好地理解和运用， 揭示隐藏在实验现象背后的物理规律。

光镊光场的理论

光镊是由强会聚的激光束形成的光学势阱， 研究微粒在光阱中受到的光阱力的理论模型有几何光学(RO)近似模型和电磁(EM)模型。RO 模型理论适用于几何尺寸大于波长的微粒， 计算较简单， 作为一种近似方法其计算结果对实验具有参考价值。RO 模型广泛应用于光阱力大小的计算， 研究光束发散特性对光学悬浮的影响。结合高斯光束标量理论]计算强聚焦光束对微粒的俘获力。不考虑光的波动性， 研究光阱里微球在横向、 轴向和任意位移后的受力， 入射光在空间不同方位的追迹方式等。RO 模型理论便于分析微粒三维空间受到的应力， 进而可以分析不规则微粒(如椭球)受到光阱的应力及其动力学特性利用 RO 模型分析光阱中微粒的受力， 能很好地指导实验设计和理解实验现象。

新型光镊光场的研究

光与物质相互作用依赖于光场内在的性质， 如能量和动量， 也依赖于这些物理量的空间分布， 如光场的强度梯度等。因此， 调控这些光场的性质会直接改变光与物质相互作用的结果， 这为直接控制光捕获提供了一个重要的途径。而光场性质的变化可以通过光场调制来实现， 例如振幅、 相位和偏振的调制。所以， 光镊一个特别重要的发展趋势是结合各种新型光场来实现特殊或复杂的操控功能。新型光镊光场的研究得益于复杂光场调制技术的快速发展， 如空间光调制技术。新型光场光镊不仅能够实现对不同材质、 不同大小的微粒多自由度操控， 而且可以通过计算机控制， 方便地实现实时智能的操控， 大大拓展了光镊的应用范围。

新型光场包括涡旋光束、 非衍射和自修复光束、 自加速光束以及矢量光束等。涡旋光束与相位奇点相关， 本身携带轨道角动量， 在与物质相互作用过程中可以将角动量传递给微粒， 从而导致微粒在光场中做旋转运动。常见的涡旋光束有拉盖尔高斯光束(Laguerre-Gaussian beam)和贝塞尔光束(Bessel beam)。其中贝塞尔光束属于非衍射和自修复光束， 相比于高斯型光束， 贝塞尔光束可传播较远距离而保持中心光斑的大小和尺寸基本不变， 而且在传输过程中遇到障碍物阻挡后能很快恢复原来的光场分布。由于贝塞尔光束在传播过程中具有很好的稳定性， 故被用于引导微粒沿轴向输运距离可达 3 mm， 这个间距远远大于高斯型光束的光镊的轴向捕获深度。并且， 在轴向 3 mm 距离中可以实现多个平面长距离捕获多微粒。非衍射光束还包括马提厄光束(Mathieu beam)、 抛物线光束(parabolic beam)、 艾里光束(Airy beam) 等。其中抛物线光束和艾里光束也是一种自加速光束。自加速光束在沿轴向传播过程中以某个角度弯曲而不沿直线传播， 看起来像是在自由空间中加速。这种光束在光操控中可以用于沿着设定的轨迹输运微粒。自加速光束还有韦伯光束(Weber beam)和螺旋光束(spiral beams) 等。此外， 不均匀的偏振光场， 如径向偏振光束和角向偏振光束， 具有优越的会聚特性， 使得矢量光束在操控纳米粒子， 特别是金属纳米粒子方面具有明显的优势。