光鑷技術在分子生物學、膠體科學、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(fā)展并產(chǎn)生許多衍生光鑷技術。空間光調制器(SLM)所形成的全息光鑷，在多粒子操控方面的優(yōu)勢，為光鑷技術走向實用化、規(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年以來關于光與微粒子相互作用實驗的基礎上于1986年發(fā)明的。單光束粒子阱實質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)、細胞器等,并在基本不影響周圍環(huán)境的情況下對捕獲物進行亞接觸性、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，在激光冷卻、膠體化學、分子生物學等領域的實驗研究中發(fā)揮了極其重要的作用。隨著光鑷技術應用領域的不斷擴大，為適應更多的研究需求，光鑷技術本身也在向實時可控的復雜光阱方面不斷地改進。目前研究人員經(jīng)過不斷地改進實驗方法以及控制樣品的布朗運動，可以在秒的時間尺度上實現(xiàn)埃量級精度的位移測量。同時可以捕獲并觀察到最小達25nm的粒子，并有望捕獲更小的納米粒子。在過去的幾十年里，光鑷技術的發(fā)展使人們較詳細地了解在復雜的生物系統(tǒng)中分子的運動機制成為可能。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不僅豐富了光鑷家族，更為生物科學等不同領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、研究分子馬達的運動機制、分離水稻染色體等。多光阱操控技術在眾多的實驗研究中顯得越來越重要。光鑷技術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勢阱的方法脫穎而出。它不僅能構成各種功能的光阱，并且還能實現(xiàn)三維光阱陣列，并且?guī)恿艘幌盗械难芯亢桶l(fā)展。科學家Grier預言，全息光鑷將引發(fā)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，全息光鑷會實現(xiàn)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EricR.Dufresne等于1998年實現(xiàn)，他們使用衍射光學元件(DOE)將準直的激光束分成多個獨立的光束，通過強會聚透鏡聚焦后形成多光鑷。構建全息光鑷的關鍵是根據(jù)實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，其缺點是所拍攝的全息元件存在衍射效率低、制作費時以及通用性差等，因而它在全息光鑷中并沒有得到廣泛的應用。目前全息光鑷的全息元件多由空間光調制器(SLM)形成。常見的空間光調制器有液晶空間光調制器、磁光空間光調制器、數(shù)字微鏡陣列(DMD)、多量子阱空間光調制器以及聲光調制器等。還可以用紫外光刻來制作特定的衍射光學元件來調制光場。現(xiàn)在用的較多的是由計算機尋址的液晶空間光調制器實現(xiàn)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(tài)變化。在計算機出現(xiàn)之前，需要采用激光全息的方法形成有限形狀的全息圖。目前在計算機的輔助下，可以實現(xiàn)任意形狀的全息圖。不過，每實現(xiàn)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(xiàn)，在一般的科研實驗室已經(jīng)可以很容易實現(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定的路線運動，為實現(xiàn)光鑷分選粒子提供更加方便的工具。隨著激光捕獲技術的不斷進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，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(xiàn)表面等離子體共振捕獲粒子等領域展現(xiàn)出極大的應用前景。充分認識全息光鑷的優(yōu)缺點有助于人們在設計全息光鑷時，充分利用其優(yōu)點，克服不足之處，設計出滿足實際需要的性能優(yōu)越的全息光鑷，使之在分子生物學、生物化學、納米制造等領域發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢，為交叉學科的研究提供更多有價值的信息。

　　全息光鑷的典型應用

　　由于光和粒子之間有動量或角動量的交換，光場成為一個傳統(tǒng)的非接觸的捕獲、移動、拉伸或旋轉微觀粒子的工具。傳統(tǒng)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。這使得全息光鑷的應用范圍得到擴大，在微粒的光致旋轉、多粒子的操控和復雜運動方面顯示出其獨特的優(yōu)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，自旋角動量取決于光束的偏振狀態(tài)，它可以通過棱鏡和波片等來改變。2007年，Wang課題組采用納米制造技術制備出圓柱型的納米石英顆粒。這種顆粒在光鑷中會發(fā)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使得雙折射粒子發(fā)生旋轉的特性。

　　1991年Sato等首次實現(xiàn)了光鑷中粒子的光致旋轉，所采用的光束為旋轉的高階Hermite-Gaussian光。之后出現(xiàn)一系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、面包圈空心光束及LP01模輸出空心光束等，這些空心光束的優(yōu)勢是捕獲粒子時所產(chǎn)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。傳統(tǒng)的全息技術則推動了這些新型光束在光致旋轉方面的應用研究。軌道角動量則與光場的特定空間分布相聯(lián)系。

　　具有軌道角動量的光束可以通過旋轉的Dove棱鏡來產(chǎn)生，但這需要在光學波長范疇下很精確的布置棱鏡，實現(xiàn)較困難，且不能動態(tài)改變光束的特性。全息技術的應用克服了上述缺點，它使得人們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(BesselBeam)、厄米-高斯(Hermite-Gaussian)光束等。

　　此外，利用全息技術產(chǎn)生的新型光阱，如渦旋光阱，在界面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，蘇格蘭的圣?安德魯斯大學的MariaDienerowitz等利用LG光捕獲納米金粒子，他們用接近表面等離子激元共振的光束將金粒子限制在LG光的暗場區(qū)域，并且利用光子的軌道角動量的轉移，實現(xiàn)對同時捕獲于光阱中的兩個100nm的金納米粒子的旋轉。

2、多粒子復雜運動

　　利用光波前校正技術所產(chǎn)生的力可以在科技和工程應用的許多領域實現(xiàn)快速控制，如全息光鑷可以對多粒子進行實時動態(tài)的捕獲和操控。奧地利Innsbruck醫(yī)學院的Jesacher等在用液晶空間光調制器產(chǎn)生復雜光波前的實用性方面進行較多的研究。他們通過分別控制光場的振幅和相位，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，不僅可以實現(xiàn)十字、矩形、圓形等特殊形狀的光阱，還可以控制粒子在其中沿特定的路徑運動，原則上可以實現(xiàn)對粒子在任意形狀的光阱中的操控。

　　3、全息光鑷的其他應用

　　由全息技術形成的復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應用價值，因為它比通常的只能控制光場振幅的光鑷具有更強的適應性。例如，用特制的相位片產(chǎn)生的全息光鑷可以傳輸、分選或控制微小粒子的聚集。

　　目前，利用全息技術可以獲得多達400個光阱的全息陣列光鑷，結合計算機技術，還可以對其中單個光阱的特性進行動態(tài)的改變。這樣產(chǎn)生的實時光阱可以對運動的和高分散的物體進行捕獲，如病毒、小膠體以及游動的細菌。此外，還可以產(chǎn)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面或光軸方向調整、旋轉物體、產(chǎn)生旋轉的環(huán)形物體以及獲得其他的非典型的操縱成為可能。這些研究進一步擴大了全息光鑷的應用范圍，使之成為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制多個粒子，使得粒子的融合、吸附以及粒子間或粒子與表面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面探測分子間結合力等。通過觀察光阱中物體的行為，還可以對物體或周圍環(huán)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流體界面拉伸或彎曲材料。這類實驗可以獲取許多系統(tǒng)中彈性模量、表面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。潛在的應用是構建光子晶體帶隙材料、制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的電學特性。2007年，美國的科學家利用紅外光形成的光鑷在硅片上控制微粒的運動，他們通過選擇合適厚度和摻雜濃度的硅片，使之透過紅外光進而能夠被CCD探測。這項技術突破了傳統(tǒng)的在液相中捕獲粒子的瓶頸。若將全息光鑷技術與之結合，則可以在特定的固體表面組裝一些有意義的結構。特別要指出的是，在全息光鑷發(fā)明之前，光鑷技術主要側重在單粒子的基礎研究方面，全息光鑷在對多粒子操控方面的優(yōu)勢，為光鑷技術走向實用化、規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)打開了新局面。

　　產(chǎn)品舉例

　　目前市面上商用光鑷系統(tǒng)大多采用聲光偏轉器（AOD），Meadowlark（BNS）公司的全息光鑷系統(tǒng)CUBE是僅有的商用全息光鑷系統(tǒng)。其結構示意圖如下：

　　與其他采用聲光偏轉器（AOD）的光鑷相比，Meadowlark（BNS）公司的全息光鑷系統(tǒng)CUBE具有以下特點：

　　1.目前市面商用多光鑷系統(tǒng)均采用聲光偏轉器（AOD）高速調制激光形成不同光阱，只能做到二維（x,y方向）平面操控，如平移等。液晶空間光調制器對光可以進行強度和相位調制，為真3D操控。不僅可以平移，還可以對微粒及細胞進行三維旋轉等操控。

　　2.由于可以對光進行相位調節(jié)，液晶空間光調制器可以校正相差，調節(jié)激光光斑，使光阱分布更趨于理想化。

　　（a）加載在SLM上用于校正相差的相位圖（b）校正前光斑（c）校正后光斑

　　3.液晶空間光調制器（SLM）衍射效率大于90%，比聲光偏轉器（AOD）高，對激光的利用率更高。

　　4.不同于聲光偏轉器（AOD）是通過高速切換來形成多個光阱，液晶空間光調制器（SLM）能同時生成多個聚焦光束，每個光束形成一個獨立的光阱，故而光阱的穩(wěn)定型更好。