摘要：光鑷技術(shù)在分子生物學(xué)、膠體科學(xué)、實(shí)驗(yàn)原子物理等領(lǐng)域中具有極其重要的作用，光鑷本身也不斷發(fā)展并產(chǎn)生許多衍生光鑷技術(shù)�？臻g光調(diào)制器(SLM)所形成的全息光鑷，在多粒子操控方面的優(yōu)勢，為光鑷技術(shù)走向?qū)嵱没�、�?guī)模工業(yè)生產(chǎn)打開了新局面，是目前光鑷家族極具活力的成員。本文簡單介紹了全息光鑷的原理和應(yīng)用，以及市面上唯一的商用全息光鑷系統(tǒng)--美國Meadowlark（BNS）公司的全息光鑷系統(tǒng)CUBE。

引言

光鑷又稱單光束粒子阱,是A. Ashkin在1969年以來關(guān)于光與微粒子相互作用實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上于1986 年發(fā)明的。單光束粒子阱實(shí)質(zhì)上是光輻射壓梯度力阱,是基于散射力和輻射壓梯度力相互作用而形成的能夠網(wǎng)羅住整個米氏和瑞利散射范圍粒子的勢阱。它是由高度匯聚的單束激光形成的,可彈性地捕獲從幾nm 到幾十μm 的生物或其他大分子微粒 (球) 、細(xì)胞器等,并在基本不影響周圍環(huán)境的情況下對捕獲物進(jìn)行亞接觸性、無損活體操作。

光鑷自1986 年發(fā)明以來，以其非接觸、低損傷等優(yōu)點(diǎn)，在激光冷卻、膠體化學(xué)、分子生物學(xué)等領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)揮了極其重要的作用。隨著光鑷技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，為適應(yīng)更多的研究需求，光鑷技術(shù)本身也在向?qū)崟r可控的復(fù)雜光阱方面不斷地改進(jìn)。目前研究人員經(jīng)過不斷地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法以及控制樣品的布朗運(yùn)動，可以在秒的時間尺度上實(shí)現(xiàn)埃量級精度的位移測量。同時可以捕獲并觀察到最小達(dá)25 nm 的粒子，并有望捕獲更小的納米粒子。在過去的幾十年里，光鑷技術(shù)的發(fā)展使人們較詳細(xì)地了解在復(fù)雜的生物系統(tǒng)中分子的運(yùn)動機(jī)制成為可能。就表現(xiàn)形式而言，光鑷儀器由最初的單光束梯度力光阱逐漸演化出了許多類型的光學(xué)勢阱。如雙光鑷、三光鑷、四光鑷、掃描光鑷、飛秒光鑷等。這一系列光鑷的衍生技術(shù)不僅豐富了光鑷家族，更為生物科學(xué)等不同領(lǐng)域在微納尺度的研究提供了一個非常巧妙的工具，如測量雙鏈DNA 的解螺旋過程、研究分子馬達(dá)的運(yùn)動機(jī)制、分離水稻染色體等。多光阱操控技術(shù)在眾多的實(shí)驗(yàn)研究中顯得越來越重要。光鑷技術(shù)在一個由簡單的單光束梯度力光阱向多光鑷及阱位可控的復(fù)雜光鑷的不斷發(fā)展過程中，全息光鑷作為一種產(chǎn)生多光阱或新型光學(xué)勢阱的方法脫穎而出。它不僅能構(gòu)成各種功能的光阱，并且還能實(shí)現(xiàn)三維光阱陣列，并且?guī)�動了一系列的研究和發(fā)展�？茖W(xué)家Grier預(yù)言，全息光鑷將引發(fā)光學(xué)操縱的一場技術(shù)革命。

全息光鑷的原理

全息元件是構(gòu)成全息光鑷的關(guān)鍵元件，它是利用底片記錄物光和參考光所形成的干涉圖樣，物光場再現(xiàn)時，只需用原來的參考光照射全息元件，即可獲得重建的物光場。全息光鑷就是利用全息元件構(gòu)建的具有特定功能的光場而形成的光鑷。所形成的光場性質(zhì)的不同，全息光鑷會實(shí)現(xiàn)不同的功能，如單粒子的旋轉(zhuǎn)、多粒子的操控和分選等。最早的全息光鑷由芝加哥大學(xué)Eric R. Dufresne 等于1998 年實(shí)現(xiàn)，他們使用衍射光學(xué)元件(DOE)將準(zhǔn)直的激光束分成多個獨(dú)立的光束，通過強(qiáng)會聚透鏡聚焦后形成多光鑷。構(gòu)建全息光鑷的關(guān)鍵是根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的全息元件。傳統(tǒng)生成全息元件的方法是利用相干光干涉制作的，其缺點(diǎn)是所拍攝的全息元件存在衍射效率低、制作費(fèi)時以及通用性差等，因而它在全息光鑷中并沒有得到廣泛的應(yīng)用。目前全息光鑷的全息元件多由空間光調(diào)制器(SLM)形成。常見的空間光調(diào)制器有液晶空間光調(diào)制器、磁光空間光調(diào)制器、數(shù)字微鏡陣列(DMD)、多量子阱空間光調(diào)制器以及聲光調(diào)制器等。還可以用紫外光刻來制作特定的衍射光學(xué)元件來調(diào)制光場�，F(xiàn)在用的較多的是由計(jì)算機(jī)尋址的液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)全息元件，通過改變?nèi)�息元件就可以使得所形成的光阱作動態(tài)變化。

在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，需要采用激光全息的方法形成有限形狀的全息圖。目前在計(jì)算機(jī)的輔助下，可以實(shí)現(xiàn)任意形狀的全息圖。不過，每實(shí)現(xiàn)一種新設(shè)計(jì)的光阱，都需要重新計(jì)算相應(yīng)的全息圖。隨著計(jì)算機(jī)速度的不斷刷新以及新的算法的出現(xiàn)，在一般的科研實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)可以很容易實(shí)現(xiàn)任意形狀的全息光鑷。原則上全息光鑷可以產(chǎn)生任意形狀、大小、數(shù)量的光阱。通過改變捕獲光的相位分布，可以使捕獲粒子在光阱中按設(shè)定的路線運(yùn)動，為實(shí)現(xiàn)光鑷分選粒子提供更加方便的工具。隨著激光捕獲技術(shù)的不斷進(jìn)步以及捕獲對象的不斷變化，傳統(tǒng)的單光束梯度力光阱已經(jīng)不能滿足微觀粒子捕獲的新需求。作為新興的光鑷技術(shù)，全息光鑷的加盟使得光鑷家族充滿活力，全息光鑷在捕獲和操控多粒子和實(shí)現(xiàn)表面等離子體共振捕獲粒子等領(lǐng)域展現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景。充分認(rèn)識全息光鑷的優(yōu)缺點(diǎn)有助于人們在設(shè)計(jì)全息光鑷時，充分利用其優(yōu)點(diǎn)，克服不足之處，設(shè)計(jì)出滿足實(shí)際需要的性能優(yōu)越的全息光鑷，使之在分子生物學(xué)、生物化學(xué)、納米制造等領(lǐng)域發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢，為交叉學(xué)科的研究提供更多有價(jià)值的信息。