光鑷的基本原理在於光與物質微粒之間的動量傳遞的力學效應 。光鑷技術是光的力學效應的典型實例, 它直觀充分的展現了光具有動量這一基本屬性。光鑷技術的發明不僅豐富和推進了光學領域的發展, 也為光學與其他多學科的交叉融合架起了一座橋樑, 彰顯出了它獨特而不可替代的作用。
基本介紹
- 中文名:光鑷技術
- 外文名:Optical tweezerstechnology
簡介
理論發展概況
單光束梯度力阱理論是光鑷理論的基礎。從原理上研究單光束梯度力阱能清楚地理解光俘獲機理和影響光阱力的因素; 從工程方面研究可以推導如何提高光鑷的品質, 如何最佳化光鑷儀器。各種新功能的光鑷的出現, 需要學者們更好地理解和運用, 揭示隱藏在實驗現象背後的物理規律。
光鑷是由強會聚的雷射束形成的光學勢阱, 研究微粒在光阱中受到的光阱力的理論模型有幾何光學(RO)近似模型和電磁(EM)模型。RO 模型理論適用於幾何尺寸大于波長的微粒, 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。RO 模型廣泛套用於光阱力大小的計算, 研究光束髮散特性對光學懸浮的影響。結合高斯光束標量理論]計算強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、 軸向和任意位移後的受力, 入射光在空間不同方位的追跡方式等。RO 模型理論便於分析微粒三維空間受到的應力, 進而可以分析不規則微粒(如橢球)受到光阱的應力及其動力學特性利用 RO 模型分析光阱中微粒的受力, 能很好地指導實驗設計和理解實驗現象。
光與物質相互作用依賴於光場內在的性質, 如能量和動量, 也依賴於這些物理量的空間分布, 如光場的強度梯度等。因此, 調控這些光場的性質會直接改變光與物質相互作用的結果, 這為直接控制光捕獲提供了一個重要的途徑。而光場性質的變化可以通過光場調製來實現, 例如振幅、 相位和偏振的調製。所以, 光鑷一個特別重要的發展趨勢是結合各種新型光場來實現特殊或複雜的操控功能。新型光鑷光場的研究得益於複雜光場調製技術的快速發展, 如空間光調製技術。新型光場光鑷不僅能夠實現對不同材質、 不同大小的微粒多自由度操控, 而且可以通過計算機控制, 方便地實現實時智慧型的操控, 大大拓展了光鑷的套用範圍。
光鑷技術的套用特點
光鑷是光與物體相互作用的結果, 光與物體是通過介質相互作用的。常用的介質為液體, 而液體的溫度、 粘度和折射率等物理參數決定了介質的性質。因此, 不同的液體性質和參數直接影響光與物體相互作用, 影響到光捕獲效果。介質的選擇首先是光學透明且折射率要小於被捕獲的微粒的折射率, 折射率 n 與被捕獲物體的折射率 n0之差越大, 越有利於捕獲。其次要考慮介質的化學性質及其與微粒相互作用的影響。
手柄小球與生物單分子操控
遠場顯微鏡不能觀測納米尺度的微粒, 光鑷操控納米微粒是通過直接可控的微米小球作為手柄間接操控納米微粒, 例如操控脫氧核糖核酸(DNA)、 蛋白質、 核酸等生物大分子。手柄微球分為結構型和功能型。當利用光鑷拉伸 DNA 或蛋白質微絲時, DNA 或微絲的兩端需要結合手柄微球才能被光鑷操控, 此時微球僅僅起到手柄的作用。而在研究抗體-抗原結合力以及分子馬達動力學行為時, 需要將蛋白質分子修飾在微球表面, 此時微球同時也是研究對象的載體。
單分子研究要求光鑷儀器測量精度達到亞納米量級, 如何實現高精度的測量, 目前主要有以下三種途徑。首先, 在硬體配置上儘量避免各種機械噪聲, 選擇優良的器件, 高的時間分辨和高精度的空間解析度。將實驗室建在地下室, 儀器置放在氣墊隔振平台上並且全封閉。在儀器的設計和環境條件中, 儘量降低空氣對流、 聲音震動、 磁場等外界干擾以保證系統在良好的穩定狀態運行[48]。採取反饋控制也是提高光鑷探測精度的有效方法, 反饋控制採取定點實驗和定力測量來消除雷射器光強的波動和消除物鏡的漂移等等, 提高儀器測量的解析度和光鑷在三維空間的穩定性。
光鑷技術的套用
1907 年, 愛因斯坦認為能量均分定理適用於布朗微粒, 但是因為單個微粒的瞬時速度變化太快, 所以這個預言難以從實驗上直接證明。2010 年, Science 雜誌報導, 採用光鑷技術在真空中測量了微粒的瞬時速度,首次從實驗上成功地驗證了布朗微粒符合能量均分定理。
光鑷測量布朗粒子的瞬時速度的方法利用兩束正交偏振相向傳播的光束形成的光阱將 3 μm 小球懸浮在空中。採用快速的位置探測器, 嚴格均等分開的兩束探測光強信號的差別獲取小球位置信息。系統測量的是 x 方向位移隨時間的變化。其中實線是麥克斯韋 -玻爾茲曼速度分布曲線 , 三角信號是噪聲 , 測量得到單個微粒的布朗運動的瞬時速度約等於0.422 mm/s , 實驗誤差為 0.021 mm/s。與能量均分定理的預期值 ( k BT/m =0.429 mm/s)很接近, 從而直接證明了布朗運動的麥克斯韋-玻爾茲曼速度分布和能量均分定理。
金剛石氮-空位(NV)色心近年來受到廣泛關注, 因為它在量子光學、 生物螢光標記等領域中有著非常廣闊的套用前景。特別是, NV 的螢光非常穩定, 可以作為一種良好的單光子源。此外, 由於 NV 的電子自旋相干時間可達毫秒量級, 它被認為在未來的量子計算機研製中十分具有潛力。NV 也可作為納米尺寸的感測器, 用於磁場、 電場、 溫度等物理量的測量。如何控制金剛石中的 NV 色心納米顆粒是其套用中的一個技術瓶頸, 然而具有操控微粒功能的光鑷技術則能恰到好處地解決這個困難。
光鑷技術的展態勢
經過 30 年潛心研究, 光鑷領域正迎接技術套用蓬勃發展的未來。近年來, 國內參與光鑷技術研究的課題組越來越多, 然而大多數集中於理論研究, 涉及實驗的較少。對光鑷技術的全面深入了解和對儀器的需求已成為該領域發展的迫切需求。