概述

光的本質(zhì)是一種攜帶能量和動量的電磁波，當電磁波與物體發(fā)生相互作用時，其能量和動量均發(fā)生變化。當光與物質(zhì)發(fā)生相互作用時，通常會伴隨著動量的交換，而動量的交換就會表現(xiàn)為光與物體之間的相互作用力。所謂光鑷就是利用光與物質(zhì)間動量傳遞的力學(xué)效應(yīng)而形成的三維梯度光學(xué)勢阱。與傳統(tǒng)鑷子夾持物體時需與物體接觸并施加相對壓力的工作方式不同，光鑷是使物體受到光的梯度力束縛，然后通過移動光束來實現(xiàn)對的物體捕獲、遷移。

光鑷對粒子的捕獲過程，實際上是動量守恒原理的體現(xiàn)。簡單的說，光鑷就是用一束高度匯聚的激光形成的三維勢阱來俘獲，操縱控制微小粒子。自誕生以來，光鑷技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)微米尺度量級粒子的操縱控制；并且在光電教學(xué)實驗、生物醫(yī)學(xué)、膠體物理、原子物理等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

系統(tǒng)工作原理

激光器發(fā)出的細激光束經(jīng)擴束系統(tǒng)擴束成粗激光束后入射到二向色鏡上；然后經(jīng)二向色鏡反射進入顯微物鏡，經(jīng)顯微物鏡聚焦后進入樣品池；樣品池放置于XYZ三維精密位移臺上，可實現(xiàn)樣品在X，Y，Z三軸方向上的精細位移；與此同時，下方的LED照明光源經(jīng)準直鏡準直，反射鏡反射后入射到二向色鏡上；照明光源透過二向色鏡并經(jīng)物鏡后聚焦到樣品池而實現(xiàn)對樣品的照明；最后被照明的樣品成像于CMOS相機模塊，通過CMOS相機可以觀測到激光與樣品，調(diào)節(jié)使之處于共焦；調(diào)試完成后，開啟激光、照明光源、CMOS相機及軟件，緩慢移動三維平移臺，便可實現(xiàn)和觀察光鑷的捕獲效果。

光鑷系統(tǒng)的原理光路圖如下圖所示：

光鑷系統(tǒng)原理光路圖

單光束光鑷系統(tǒng)產(chǎn)品

本光鑷系統(tǒng)可實現(xiàn)可見光波段，紅外波段微米級穩(wěn)定捕獲，在生物醫(yī)學(xué)、膠體物理、原子物理等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

單光束光鑷系統(tǒng)產(chǎn)品實物圖

光鑷系統(tǒng)產(chǎn)品規(guī)格說明表

特點

系統(tǒng)緊湊，易于集成，可以滿足各種應(yīng)用和需求；

硬件設(shè)備留有光電一體化模塊，可靈活實現(xiàn)多光束，多波段集成升級；

自主研發(fā)模塊結(jié)構(gòu)及光電驅(qū)動系統(tǒng)，可提供多種捕獲類型的產(chǎn)品。

實驗效果

單小球捕獲

全息光鑷

基于SLM全息光鑷通過計算機實時加載與轉(zhuǎn)換全息圖像，使得在物鏡焦區(qū)得到預(yù)期的光場，從而可對陣列中任意光阱的微粒進行獨立動態(tài)操控。本全息光鑷系統(tǒng)，具體原理圖如下所示。

全息光鑷系統(tǒng)示意圖

全息光鑷技術(shù)通過調(diào)制入射光波前可以產(chǎn)生具有特殊模式的光阱，如拉蓋爾高斯光束、貝塞爾光束和艾里光束等，此可以完成對微粒的旋轉(zhuǎn)、輸運與分選等功能操作。

應(yīng)用領(lǐng)域

作為非侵入型的力學(xué)操控系統(tǒng)，光鑷可以應(yīng)用于細胞生物學(xué)、氣溶膠科學(xué)、物理化學(xué)等交叉學(xué)科的基礎(chǔ)研究，包括細胞微環(huán)境的改變、形變拉伸、微粒力學(xué)參數(shù)的測量等等。也可以將光鑷與圖像識別結(jié)合，做到自動捕獲粒子和分揀；將光鑷與光學(xué)顯微鏡相結(jié)合，可以量化細胞、分子的動力學(xué)特性，在細胞生物學(xué)中有巨大的研究空間。

審核編輯 黃宇