光具有能量和動量， 經(jīng)典光學(xué)主要是以電磁輻射本身為研究對象， 而近代光學(xué)的發(fā)展則是以光與物質(zhì)相互作用為重要的研究內(nèi)容。20 世紀(jì) 60 年代激光的發(fā)明， 為人們研究光與物質(zhì)相互作用提供了一種嶄新的光源， 其中高簡并度的激光束使得光鑷技術(shù)得以問世。光鑷技術(shù)是光的力學(xué)效應(yīng)的典型實(shí)例， 它直觀充分的展現(xiàn)了光具有動量這一基本屬性。光鑷技術(shù)的發(fā)明不僅豐富和推進(jìn)了光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展， 也為光學(xué)與其他多學(xué)科的交叉融合架起了一座橋梁， 彰顯出了它獨(dú)特而不可替代的作用。從 Ashkin 等1986 年發(fā)表的第一篇單光束光鑷論文起， 已經(jīng)歷了約 30 年。光鑷從鮮為人知， 集中在少數(shù)物理學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室中， 只能簡單地操控微米細(xì)胞到目前可以實(shí)現(xiàn)對單分子亞納米級精度的測量， 極大地促進(jìn)了定量生物學(xué)的發(fā)展。光鑷技術(shù)已成為眾多學(xué)科的科學(xué)家渴望的工具 。

光鑷技術(shù)的理論主要是利用各種計(jì)算方法研究聚焦光束與微粒的相互作用力。首先是單光束梯度力阱與微粒的相互作用及其對微粒的控制； 其次是新型光束聚焦后形成新的光阱特性。另外， 還有一類是光鑷系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中遇到的光場畸變的問題。

單光束梯度力阱理論是光鑷?yán)碚摰幕�礎(chǔ)。從原理上研究單光束梯度力阱能清楚地理解光俘獲機(jī)理和影響光阱力的因素； 從工程方面研究可以推導(dǎo)如何提高光鑷的品質(zhì)， 如何優(yōu)化光鑷儀器。各種新功能的光鑷的出現(xiàn)， 需要學(xué)者們更好地理解和運(yùn)用， 揭示隱藏在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的物理規(guī)律。

光鑷光場的理論

光鑷是由強(qiáng)會聚的激光束形成的光學(xué)勢阱， 研究微粒在光阱中受到的光阱力的理論模型有幾何光學(xué)(RO)近似模型和電磁(EM)模型。RO 模型理論適用于幾何尺寸大于波長的微粒， 計(jì)算較簡單， 作為一種近似方法其計(jì)算結(jié)果對實(shí)驗(yàn)具有參考價(jià)值。RO 模型廣泛應(yīng)用于光阱力大小的計(jì)算， 研究光束發(fā)散特性對光學(xué)懸浮的影響。結(jié)合高斯光束標(biāo)量理論]計(jì)算強(qiáng)聚焦光束對微粒的俘獲力。不考慮光的波動性， 研究光阱里微球在橫向、 軸向和任意位移后的受力， 入射光在空間不同方位的追跡方式等。RO 模型理論便于分析微粒三維空間受到的應(yīng)力， 進(jìn)而可以分析不規(guī)則微粒(如橢球)受到光阱的應(yīng)力及其動力學(xué)特性利用 RO 模型分析光阱中微粒的受力， 能很好地指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

新型光鑷光場的研究

光與物質(zhì)相互作用依賴于光場內(nèi)在的性質(zhì)， 如能量和動量， 也依賴于這些物理量的空間分布， 如光場的強(qiáng)度梯度等。因此， 調(diào)控這些光場的性質(zhì)會直接改變光與物質(zhì)相互作用的結(jié)果， 這為直接控制光捕獲提供了一個(gè)重要的途徑。而光場性質(zhì)的變化可以通過光場調(diào)制來實(shí)現(xiàn)， 例如振幅、 相位和偏振的調(diào)制。所以， 光鑷一個(gè)特別重要的發(fā)展趨勢是結(jié)合各種新型光場來實(shí)現(xiàn)特殊或復(fù)雜的操控功能。新型光鑷光場的研究得益于復(fù)雜光場調(diào)制技術(shù)的快速發(fā)展， 如空間光調(diào)制技術(shù)。新型光場光鑷不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對不同材質(zhì)、 不同大小的微粒多自由度操控， 而且可以通過計(jì)算機(jī)控制， 方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能的操控， 大大拓展了光鑷的應(yīng)用范圍。

新型光場包括渦旋光束、 非衍射和自修復(fù)光束、 自加速光束以及矢量光束等。渦旋光束與相位奇點(diǎn)相關(guān)， 本身攜帶軌道角動量， 在與物質(zhì)相互作用過程中可以將角動量傳遞給微粒， 從而導(dǎo)致微粒在光場中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。常見的渦旋光束有拉蓋爾高斯光束(Laguerre-Gaussian beam)和貝塞爾光束(Bessel beam)。其中貝塞爾光束屬于非衍射和自修復(fù)光束， 相比于高斯型光束， 貝塞爾光束可傳播較遠(yuǎn)距離而保持中心光斑的大小和尺寸基本不變， 而且在傳輸過程中遇到障礙物阻擋后能很快恢復(fù)原來的光場分布。由于貝塞爾光束在傳播過程中具有很好的穩(wěn)定性， 故被用于引導(dǎo)微粒沿軸向輸運(yùn)距離可達(dá) 3 mm， 這個(gè)間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高斯型光束的光鑷的軸向捕獲深度。并且， 在軸向 3 mm 距離中可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)平面長距離捕獲多微粒。非衍射光束還包括馬提厄光束(Mathieu beam)、 拋物線光束(parabolic beam)、 艾里光束(Airy beam) 等。其中拋物線光束和艾里光束也是一種自加速光束。自加速光束在沿軸向傳播過程中以某個(gè)角度彎曲而不沿直線傳播， 看起來像是在自由空間中加速。這種光束在光操控中可以用于沿著設(shè)定的軌跡輸運(yùn)微粒。自加速光束還有韋伯光束(Weber beam)和螺旋光束(spiral beams) 等。此外， 不均勻的偏振光場， 如徑向偏振光束和角向偏振光束， 具有優(yōu)越的會聚特性， 使得矢量光束在操控納米粒子， 特別是金屬納米粒子方面具有明顯的優(yōu)勢。