光鑷技術在分子生物學、膠體(ti) 科學、實驗原子物理等領域中具有極其重要的作用，光鑷本身也不斷發展並產(chan) 生許多衍生光鑷技術。空間
光調製器(SLM)所形成的全息光鑷，在多粒子操控方麵的優(you) 勢，為(wei) 光鑷技術走向實用化、規模工業(ye) 生產(chan) 打開了新局麵，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国产成人在线观看免费网站，以及市麵上唯一的商用全息光鑷係統--美國Meadowlark（BNS）国产黄色在线观看的全
息光鑷係統CUBE。
摘要
光鑷技術在分子生物學、膠體(ti) 科學、實驗原子物理等領域中具有極其重要的作用，光鑷本身也不斷發展並產(chan) 生許多衍生光鑷技術。空間光調製器(SLM)所形成的全息光鑷，在多粒子操控方麵的優(you) 勢，為(wei) 光鑷技術走向實用化、規模工業(ye) 生產(chan) 打開了新局麵，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国产成人在线观看免费网站，以及市麵上唯一的商用全息光鑷係統--美國Meadowlark（BNS）国产黄色在线观看的全息光鑷係統CUBE。
引言
光鑷又稱單光束粒子阱,是A. Ashkin在1969年以來關(guan) 於(yu) 光與(yu) 微粒子相互作用實驗的基礎上於(yu) 1986 年發明的。單光束粒子阱實質上是光輻射壓梯度力阱,是基於(yu) 散射力和輻射壓梯度力相互作用而形成的能夠網羅住整個(ge) 米氏和瑞利散射範圍粒子的勢阱。它是由高度匯聚的單束激光形成的,可彈性地捕獲從(cong) 幾nm 到幾十μm 的生物或其他大分子微粒 (球) 、細胞器等,並在基本不影響周圍環境的情況下對捕獲物進行亞(ya) 接觸性、無損活體(ti) 操作。
光鑷自1986 年發明以來，以其非接觸、低損傷(shang) 等優(you) 點，在激光冷卻、膠體(ti) 化學、分子生物學等領域的實驗研究中發揮了極其重要的作用。隨著光鑷技術国产成人在线观看免费网站領域的不斷擴大，為(wei) 適應更多的研究需求，光鑷技術本身也在向實時可控的複雜光阱方麵不斷地改進。目前研究人員經過不斷地改進實驗方法以及控製樣品的布朗運動，可以在秒的時間尺度上實現埃量級精度的位移測量。同時可以捕獲並觀察到最小達25 nm 的粒子，並有望捕獲更小的納米粒子。在過去的幾十年裏，光鑷技術的發展使人們(men) 較詳細地了解在複雜的生物係統中分子的運動機製成為(wei) 可能。就表現形式而言，光鑷儀(yi) 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勢阱。如雙光鑷、三光鑷、四光鑷、掃描光鑷、飛秒光鑷等。這一係列光鑷的衍生技術不僅(jin) 豐(feng) 富了光鑷家族，更為(wei) 生物科學等不同領域在微納尺度的研究提供了一個(ge) 非常巧妙的工具，如測量雙鏈DNA 的解螺旋過程、研究分子馬達的運動機製、分離水稻染色體(ti) 等。多光阱操控技術在眾(zhong) 多的實驗研究中顯得越來越重要。光鑷技術在一個(ge) 由簡單的單光束梯度力光阱向多光鑷及阱位可控的複雜光鑷的不斷發展過程中，全息光鑷作為(wei) 一種產(chan) 生多光阱或新型光學勢阱的方法脫穎而出。它不僅(jin) 能構成各種功能的光阱，並且還能實現三維光阱陣列，並且帶動了一係列的研究和發展。科學家Grier預言，全息光鑷將引發光學操縱的一場技術革命。
全息光鑷的原理
全息元件是構成全息光鑷的關(guan) 鍵元件，它是利用底片記錄物光和參考光所形成的幹涉圖樣，物光場再現時，隻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。所形成的光場性質的不同，全息光鑷會(hui) 實現不同的功能，如單粒子的旋轉、多粒子的操控和分選等。最早的全息光鑷由芝加哥大學Eric R. Dufresne 等於(yu) 1998 年實現，他們(men) 使用衍射光學元件(DOE)將準直的激光束分成多個(ge) 獨立的光束，通過強會(hui) 聚透鏡聚焦後形成多光鑷。構建全息光鑷的關(guan) 鍵是根據實際需要選擇合適的全息元件。傳(chuan) 統生成全息元件的方法是利用相幹光幹涉製作的，其缺點是所拍攝的全息元件存在衍射效率低、製作費時以及通用性差等，因而它在全息光鑷中並沒有得到廣泛的国产成人在线观看免费网站。目前全息光鑷的全息元件多由空間光調製器(SLM)形成。常見的空間光調製器有液晶空間光調製器、磁光空間光調製器、數字微鏡陣列(DMD)、多量子阱空間光調製器以及聲光調製器等。還可以用紫外光刻來製作特定的衍射光學元件來調製光場。現在用的較多的是由計算機尋址的液晶空間光調製器實現全息元件，通過改變全息元件就可以使得所形成的光阱作動態變化。
在計算機出現之前，需要采用激光全息的方法形成有限形狀的全息圖。目前在計算機的輔助下，可以實現任意形狀的全息圖。不過，每實現一種新設計的光阱，都需要重新計算相應的全息圖。隨著計算機速度的不斷刷新以及新的算法的出現，在一般的科研實驗室已經可以很容易實現任意形狀的全息光鑷。原則上全息光鑷可以產(chan) 生任意形狀、大小、數量的光阱。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定的路線運動，為(wei) 實現光鑷分選粒子提供更加方便的工具。隨著激光捕獲技術的不斷進步以及捕獲對象的不斷變化，傳(chuan) 統的單光束梯度力光阱已經不能滿足微觀粒子捕獲的新需求。作為(wei) 新興(xing) 的光鑷技術，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現表麵等離子體(ti) 共振捕獲粒子等領域展現出極大的国产成人在线观看免费网站前景。充分認識全息光鑷的優(you) 缺點有助於(yu) 人們(men) 在設計全息光鑷時，充分利用其優(you) 點，克服不足之處，設計出滿足實際需要的性能優(you) 越的全息光鑷，使之在分子生物學、生物化學、納米製造等領域發揮其獨特的優(you) 勢，為(wei) 交叉學科的研究提供更多有價(jia) 值的信息。
全息光鑷的典型国产成人在线观看免费网站
由於(yu) 光和粒子之間有動量或角動量的交換，光場成為(wei) 一個(ge) 傳(chuan) 統的非接觸的捕獲、移動、拉伸或旋轉微觀粒子的工具。傳(chuan) 統的方法利用波片和偏振器件可以獲得具有確定自旋角動量的光束，利用一定的全息圖可以獲得具有軌道角動量的光束，如渦旋光束等。這使得全息光鑷的国产成人在线观看免费网站範圍得到擴大，在微粒的光致旋轉、多粒子的操控和複雜運動方麵顯示出其獨特的優(you) 勢。
1 新型空心光場捕獲和旋轉微小粒子
光子具有線性動量和角動量，角動量又包括軌道角動量和自旋角動量。其中，自旋角動量取決(jue) 於(yu) 光束的偏振狀態，它可以通過棱鏡和波片等來改變。2007年，Wang 課題組采用納米製造技術製備出圓柱型的納米石英顆粒。這種顆粒在光鑷中會(hui) 發生旋轉，進而測量dsDNA 的扭轉力和力矩。這種技術正是利用光子的自旋角動量會(hui) 使得雙折射粒子發生旋轉的特性。
1991 年Sato 等首次實現了光鑷中粒子的光致旋轉，所采用的光束為(wei) 旋轉的高階Hermite-Gaussian光。之後出現一係列的利用新型光阱來研究微粒的光致旋轉，如空心高斯光束、拉蓋爾-高斯光束、高階貝塞爾光束、麵包圈空心光束及LP01 模輸出空心光束等，這些空心光束的優(you) 勢是捕獲粒子時所產(chan) 生的熱效應小，且具有常用的高斯光束形成的單光束梯度力光阱所不具有的新特性。傳(chuan) 統的全息技術則推動了這些新型光束在光致旋轉方麵的国产成人在线观看免费网站研究。軌道角動量則與(yu) 光場的特定空間分布相聯係。
具有軌道角動量的光束可以通過旋轉的Dove 棱鏡來產(chan) 生，但這需要在光學波長範疇下很精確的布置棱鏡，實現較困難，且不能動態改變光束的特性。全息技術的国产成人在线观看免费网站克服了上述缺點，它使得人們(men) 利用合適的全息圖很容易地獲得具有軌道角動量或特定衍射特性的光束，如拉蓋爾-高斯(Laguerre-Gaussian，LG)光束、貝塞爾光束(Bessel Beam)、厄米-高斯(Hermite-Gaussian)光束等。
此外，利用全息技術產(chan) 生的新型光阱，如渦旋光阱，在界麵所形成的倏逝波形成的近場光鑷可以用來捕獲和旋轉金屬粒子。2008 年，蘇格蘭(lan) 的聖·安德魯斯大學的Maria Dienerowitz 等利用LG 光捕獲納米金粒子，他們(men) 用接近表麵等離子激元共振的光束將金粒子限製在LG 光的暗場區域，並且利用光子的軌道角動量的轉移，實現對同時捕獲於(yu) 光阱中的兩(liang) 個(ge) 100 nm 的金納米粒子的旋轉。
2 多粒子複雜運動
利用光波前校正技術所產(chan) 生的力可以在科技和工程国产成人在线观看免费网站的許多領域實現快速控製，如全息光鑷可以對多粒子進行實時動態的捕獲和操控。奧地利Innsbruck 醫學院的Jesacher 等在用液晶空間光調製器產(chan) 生複雜光波前的實用性方麵進行較多的研究。他們(men) 通過分別控製光場的振幅和相位，在預先設定形狀的光阱中捕獲和操縱微觀的電介質小球。改變光場的振幅和相位，不僅(jin) 可以實現十字、矩形、圓形等特殊形狀的光阱，還可以控製粒子在其中沿特定的路徑運動，原則上可以實現對粒子在任意形狀的光阱中的操控。
3 全息光鑷的其他国产成人在线观看免费网站
由全息技術形成的複雜光鑷在捕獲和操縱微觀粒子或原子等不同場合具有重要的国产成人在线观看免费网站價(jia) 值，因為(wei) 它比通常的隻能控製光場振幅的光鑷具有更強的適應性。例如，用特製的相位片產(chan) 生的全息光鑷可以傳(chuan) 輸、分選或控製微小粒子的聚集。
目前，利用全息技術可以獲得多達400 個(ge) 光阱的全息陣列光鑷，結合計算機技術，還可以對其中單個(ge) 光阱的特性進行動態的改變。這樣產(chan) 生的實時光阱可以對運動的和高分散的物體(ti) 進行捕獲，如病毒、小膠體(ti) 以及遊動的細菌。此外，還可以產(chan) 生線狀、Bessel型光阱以及帶有角動量的光學旋渦光阱等。這些非尋常的光阱使得在像平麵或光軸方向調整、旋轉物體(ti) 、產(chan) 生旋轉的環形物體(ti) 以及獲得其他的非典型的操縱成為(wei) 可能。這些研究進一步擴大了全息光鑷的国产成人在线观看免费网站範圍，使之成為(wei) 交叉科學研究殿堂中一朵奇葩。
全息光鑷的特點是可以自由控製多個(ge) 粒子，使得粒子的融合、吸附以及粒子間或粒子與(yu) 表麵的相互作用研究得到簡化。如將病毒植入細胞或將精子植入卵細胞，以及用多功能的小球和表麵探測分子間結合力等。通過觀察光阱中物體(ti) 的行為(wei) ，還可以對物體(ti) 或周圍環境的特性進行精確的測量。多光阱可以在單分子及細胞膜與(yu) 流體(ti) 界麵拉伸或彎曲材料。這類實驗可以獲取許多係統中彈性模量、表麵能以及吸附力等信息，同時簡化了微觀尺度機械特性的研究。全息光鑷可以用來組裝特定的結構。使用熒光或者反射光照明，能夠在透明基底或電極上觀察和定位特定的材料。全息光鑷可以將許多具有新的物理或光學特性的材料組織在三維空間。潛在的国产成人在线观看免费网站是構建光子晶體(ti) 帶隙材料、製作生物或納米尺度的電子元件以及在電極上沉積不同的材料以便測量他們(men) 的電學特性。2007 年，美國的科學家利用紅外光形成的光鑷在矽片上控製微粒的運動，他們(men) 通過選擇合適厚度和摻雜濃度的矽片，使之透過紅外光進而能夠被ccd探測。這項技術突破了傳(chuan) 統的在液相中捕獲粒子的瓶頸。若將全息光鑷技術與(yu) 之結合，則可以在特定的固體(ti) 表麵組裝一些有意義(yi) 的結構。
特別要指出的是，在全息光鑷發明之前，光鑷技術主要側(ce) 重在單粒子的基礎研究方麵，全息光鑷在對多粒子操控方麵的優(you) 勢，為(wei) 光鑷技術走向實用化、規模工業(ye) 生產(chan) 打開了新局麵。
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目前市麵上商用光鑷係統大多采用聲光偏轉器（AOD），Meadowlark（BNS）国产黄色在线观看的全息光鑷係統CUBE是僅(jin) 有的商用全息光鑷係統。其結構示意圖如下：
與(yu) 其他采用聲光偏轉器（AOD）的光鑷相比，Meadowlark（BNS）国产黄色在线观看的全息光鑷係統CUBE具有以下特點：
1.目前市麵商用多光鑷係統均采用聲光偏轉器（AOD）高速調製激光形成不同光阱，隻能做到二維（x,y方向）平麵操控，如平移等。液晶空間光調製器對光可以進行強度和相位調製，為(wei) 真3D操控。不僅(jin) 可以平移，還可以對微粒及細胞進行三維旋轉等操控。
2.由於(yu) 可以對光進行相位調節，液晶空間光調製器可以校正相差，調節激光光斑，使光阱分布更趨於(yu) 理想化。
（a)加載在SLM上用於(yu) 校正相差的相位圖（b）校正前光斑（c）校正後光斑
3.液晶空間光調製器（SLM）衍射效率大於(yu) 90%，比聲光偏轉器（AOD）高，對激光的利用率更高。
4.不同於(yu) 聲光偏轉器（AOD）是通過高速切換來形成多個(ge) 光阱，液晶空間光調製器（SLM）能同時生成多個(ge) 聚焦光束，每個(ge) 光束形成一個(ge) 獨立的光阱，故而光阱的穩定型更好。
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