光镊的原理和应用

光镊，可理解成“用光做成的镊子”，普通的镊子，是有形的夹取物体的器具，靠与物体之间的摩擦力来夹住物体；光镊是一只无形的镊子，它操纵微粒不是靠机械力或者物体之间的摩擦力，而是靠光辐射梯度力和光辐射散射力形成的光辐射力阱，将落入阱内的原子、微粒囚禁。

光辐射与在其中的原子、物质微粒之间发生能量和动量交换，使得光辐射对物质产生压力。产生的力可分为两类：一类是光辐射被原子、微粒散射、反射和吸收而产生作用力，它称为散射力；另一类是光辐射强度的空间分布不均匀而给原子、微粒产生的作用力，它称为梯度力。

任意光束都可以看成大量光子的集合，光子具有动量，当光子与原子和微粒发生相互作用时，它们将受到光散力的作用。原子受到光辐射的散射力相比之下非常大，比它的重力高出4000倍，在光强度高的光束作用下，如在高功率激光作用下，多个光子被吸收对原子可以产生更强的作用力，比如当3个光子吸收时，原子受到的散射力大约为单个光子吸收过程的3倍，即，是其自身重力的一万多倍；粒子受到的光辐射散射力的大小，分析起来比较复杂：当微粒的尺寸远小于光的波长时，散射力的大小与激光功率和微粒直径的6次方成正比，当微粒尺寸远大于光的波长时，散射力的大小大约是其重力的万万倍。

原子、分子受到的光辐射梯度力，是由于原子和分子被看成一个等效的偶极子——即，一个正电荷和一个负电荷组成的系统，当原子和分子受到光电场强度分布不均匀时，电偶极矩的正、负电荷受到的作用力大小和方向都不同，此时，偶极矩将发生平移或者转动，原子和分子受到的光辐射梯度力，其方向跟辐射光的频率和偶极子的共振频率的大小对比有关，可以将其吸引到强光区，也可以把原子推向弱光区；微粒受到的光辐射梯度力，分情况分析：当微粒的尺寸远小于光波波长时，其梯度力可以束缚微粒，也可以驱散微粒；当微粒尺寸大于光波波长，则可以用几何光学与光子动量转移来处理和分析微粒受到的光束作用力。

光散射力和光梯度力可以构成力阱，将落入阱内的原子、微粒囚禁。如果用平行光束相向照射原子，便可构成一个约束力阱，限制原子的自由运动，如果采用6束光束，从上下、左右相向交叉传播，将使得原子朝任何方向运动都受到阻尼，仿佛是将它们黏胶在光束交叉的地方；汇聚光束梯度力阱：粒子在光强非均匀分布的光束中将受到梯度力作用，驱赶它往光强的方向移动，粒子也受到散射力，驱赶它往光束传播的方向移动。可以设想构造光强分布适当的光束，让粒子所受到的梯度力方向话语受到的散射力方向相反，而作用力的大小又几乎一样，在这样的布局光束中的某个位置上，粒子受到的作用力将达到平衡，并被“俘获”在这个位置上，或者说这样的光束构造了一个势阱，能够囚禁粒子。

——这就是光镊的原理。

强聚焦的激光束在光束传播方向上和与之垂直的平面上同时形成梯度力光阱，即形成三维梯度力光阱，它可以捕获原子、微粒，并把它们囚禁在光阱中心。利用光阱可以操纵原子、微粒，而且这种操作是在基本不影响周围环境的情况下实施的。同时，光束对原子以及微粒不构成机械损伤，所以这种操作又是无损伤的。这是一种十分珍贵的特征。

利用光束力阱不仅可以捕获微粒，而且还可以方便的在三维空间拖动微粒，使之在空间上准确定位和移动，于是便开发出一种新的微型操控技术，称为“光镊技术”。

光镊技术作为一种微位移特有操控手段和粒子间微小相互作用的探针，在研究活体的实时动态，具有无机械接触、我机械损伤、遥控、不干扰粒子周围环境等突出特点，在生物学和医学领域，利用这一特征可以进行分选粒子或细胞，可以深入研究活体细胞和生物大分子个体行为，捕获单个细胞甚至在细胞内操纵细胞器，完成注入细胞融合、染色体切割与分选、细胞转基因操纵、细微手术等精细操作。

光镊技术是探索生命运动规律的重要手段，特别是在动植物基因工程、农产品改良育种等领域有重要意义，还可以用来探测生物细胞以及分子马达的动力学特性、DNA折叠、细胞膜弹性参数的测量以及分散体系的研究。在原子物理学的研究中，光镊技术可以用来捕获、冷却原子，制造原子钟。在纳米生物科技领域，它是生物分子器件组装的理想工具；在工业领域，它可以用于对微小零部件和物体进行加工、调整、装配等微操作，如微齿轮的抓取和释放等。

光镊技术的发展，使得光镊家族不断壮大，现在已经由最先的单光束光镊发展的到多光束光镊、特殊光束光镊、致微粒旋转光镊、致样品分选光镊、飞秒激光光镊等。还有一些特殊用途的光镊，如全息光镊、分时扫描光镊（又可细分为声光偏转阵列光镊、衍射光学元件光镊、空间光调制器阵列光镊）、多光束干涉光镊、光纤光镊（又可细分为双光纤多光纤光镊、单光纤光镊，而单光纤光镊又可细分为端面抛物线形光纤光镊、端面大锥角形光纤光镊）。