菜可以用筷子夾起，頭發也可以用鑷子夾起，那麼細胞或者DNA可以“夾起來”嗎？答案是可以，用光鑷就能做到。那什麼叫做光鑷？
      光鑷是用高度會聚的激光束形成的三維勢阱來俘獲、操縱和控製微小顆粒的一項技術。與機械鑷子相比，光鑷是一種以非機械接觸的方式來完成夾持和操縱物體的，它可以對目標細胞進行非接觸式的捕獲和固定，以及對細胞進行精確的操作，且可通過選用適當波長的激光，使形成的光鑷對物質的熱學或化學等效應非常弱，從而對細胞產生的損傷非常小。因此在生命科學研究中，幾乎所有的單細胞操作都采用光鑷的方式來進行操控。
   在光與物質相互作用過程中，既有光子能量的傳遞，也伴隨著光子動量和角動量的轉移。光鑷正是利用了光子與物質交換能量時發生的力學效應——光輻射力。正如前面提到，光鑷是對物體進行捕獲和固定，如果隻是往光傳播方向推的話，那不叫光鑷，那叫光“踹”。1970年，美國科學家Ashkin就率先幹了這件事情，他利用兩束相向傳播的聚焦激光束成功地束縛住了在水裏的電介質微粒。十幾年後（1986年），Ashkin及其合作者又利用單束強聚焦的激光實現了對水中電介質微粒的穩定捕獲，這標誌著光鑷的正式誕生。
      好吧，那讓我們來詳細解釋下光鑷是怎麼做到的吧!前面提到，光鑷利用的是光輻射力，其實光輻射力分為二種：一種是推動目標沿光傳播方向的散射力（這就是光“踹”）；另一種是往光強密度高方向拉動目標的梯度力。那梯度力是啥玩意兒？梯度力就是激光聚焦後形成光阱，當微粒涉足這個禁區就會被迅速地拉向光阱正中心的作用力。如果把它近似成引力場的話，就如同小球在漏鬥中一般，快速墜落至中心最低處。 光鑷光場的理論模型可以分為幾何光學（RO）模型和電磁（EM）模型二種。RO 模型理論適用於幾何尺寸大於波長的微粒，計算較簡單，作為一種近似方法其計算結果對實驗具有參考價值；EM 模型可精確分析所有尺度的微粒，EM 模型分析光阱力包含三個部分：即激光束的電磁場描述、微粒對電磁場的散射求解以及電磁場對微粒的輻射壓力的計算。下面就采用簡單的RO模型進行分析，即中學經典物理裏的受力分析：

圖1 光鑷原理示意圖（幾何光學近似模型）

首先，我們來回顧下中學物理的受力分析，力的矢量分解（如圖1（a）所示），光線a入射到顆粒上，經過一系列折射等現象，轉變成光線a’，那麼根據矢量分解，對於顆粒的受力分析，就應該受到a-a’的力，即圖中Fa，同理分析可得Fb，由於光束左右對稱，矢量力合成得到合力F，方向垂直向上，指向焦點f處。當光線聚焦到顆粒球心O的下方時，如圖1（b）所示，同樣可以分析得到合力F，方向垂直向下，指向焦點f處。圖1（c）為小球橫向偏離光線焦點f時的受力分析，原理也相同。當然，這裏不再詳細公式化分析散射力和梯度力，隻有當梯度力大於散射力時，才能形成光阱，否則顆粒就被光“踹”走了。
      早期的光鑷隻能產生一個光阱，即隻能控製一個顆粒，而且操控能力也非常有限。隨著科學技術的發展，從單光阱捕獲向著多光阱捕獲，這是光鑷技術發展的必然趨勢。首先，我們想到利用多個激光器輸出的光束耦合到同一個聚焦物鏡，這樣產生多光阱的方法最直接，但缺點也很明顯，產生光阱數目有限，而且裝置比較複雜。於是我們又用多光束幹涉技術和時分複用技術來提高光阱數量，目的達到了，但目標卻又更換了，這樣不能實現實時動態操縱。現在，我們再通過光束偏轉器如聲光調製器、機械式掃描振鏡等器件來掃描入射光束從而產生的時間上的“多光阱”，也算初步實現了目標，雖然隻能靜態捕獲多個微粒或者是動態操縱少數幾個微粒（如果有設計師看到這裏，肯定會產生共鳴 ，原來你也懂我的苦）。終於，通過空間光調製器（SLM）調製光束相位來產生特定目標光場的全息光鑷，實現了實時、動態、三維空間獨立控製多微粒等技術，甚至包括微粒旋轉、分選和輸運等功能。另外，其他諸如特殊模式光束，特別是具有渦旋相位的拉蓋爾-高斯光束和具有無衍射和自彎曲特性的艾裏光束，在光學微操縱中的應用也日益廣泛與深入；矢量光場，特別是柱矢量光束，近年來在光學微操縱中的應用也取得了大量成果。相信隨著光鑷技術的進一步發展，將會為納米光電子學、納米生物學和醫藥學的研究和發展帶來深遠的影響。

參考文獻

1、 李銀妹. 光鑷技術的研究現況[J].中國激光，2015，42（1）.
2、 梁言生，姚保利，雷銘，嚴紹輝，於湘華，李曼曼. 基於空間光場調控技術的光學微操縱[J].光學學報，2016，36（10）.
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