前言

第1章緒論

1.1光鑷技術簡介

1.2全息術簡介

1.3全息光鑷技術的產生和發展

參考文獻

第2章光阱力的計算理論

2.1光鑷的力學理論研究狀況

2.2瑞利模型

2.3米散射模型

2.4介於瑞利區和幾何區之間的區域

2.5FDTD方法

2.6光源設置

2.7利用FDTD方法計算光阱力

參考文獻

第3章全息光鑷的形式

3.1點陣光鑷

3.2LG光束

3.3光瓶

3.4貝塞爾光束

3.5三維螺旋馬達光阱

參考文獻

第4章計算全息算法

4.1GS算法原理

4.2改進的多平面AA算法

4.3DBS算法

4.4改進的DBS算法

4.5生成LG光束的計算全息圖

參考文獻

第5章SLM

5.1SLM的工作原理

5.2SLM相位調制曲線的測量

5.3SLM建模及全息再現仿真

5.4數字微鏡裝置

參考文獻

第6章全息光鑷實驗繫統

6.1采用光學圖像大規模並行操縱單細胞和微粒

6.2超連續白光光束的軌道角動量傳遞

6.3全息光鑷裝置的優化設計

參考文獻

第7章光阱剛度的測量

7.1幾種光阱剛度測量方法的原理

7.2玻爾茲曼統計法

7.3高速相機和四像限探測器用於光鑷繫統中位移測量的比較

參考文獻

第8章全息光鑷的應用

8.1全息照明光分解籠狀神經遞質

8.2三維光學捕獲和操縱銀納米線

8.3全息光鑷儀和全息光鑷實驗

參考文獻

第1 章 緒 論

1.1 光鑷技術簡介

隨著物理光學的發展，人們認識到光可能是由光子構成。由於光子不僅攜帶能量，同時還具有線性動量和角動量，因此能在物體上產生輻射壓與力矩。開普勒首次提出了輻射壓力的概念，指出太陽的輻射壓力是使彗星尾部發生偏轉的原因。1873 年，麥克斯韋對輻射壓力的概念作了進一步的描述[1]。他說：“電燈的會聚光線所貢獻的輻射能量要比太陽光線大得多。這樣的光線打到薄金屬盤上，會產生可觀的機械效應，即金屬盤會微妙地懸浮在真空中。”1901 年，Lebedev 搭建了一個光學裝置，證明了麥克斯韋的陳述[2]。對於光鑷技術，同樣重要的是顯微鏡的發明。據記載，臺復式顯微鏡是由荷蘭眼鏡制造商Jansen 於1595 年制造的。1670 年，荷蘭學者Leeuwenhoek用簡單的方法制造出了高品質倍率玻璃，並觀察了細菌、紅細胞和精子。

輻射壓力的構想和顯微鏡的應用發展了幾個世紀，一個顯著的突破就是Maiman 於1960 年發明了臺激光器[3]。波長、方向和相位確定的相干激光光源可以確保實現高精度和具有分析價值的實驗，自然便有了將輻射壓力、顯微鏡和激光器結合起來的想法，於是光鑷技術應運而生。1970 年，Ashkin 經過估算，認為聚焦的激光有可能推動數微米大小的微粒。於是他將氬離子激光聚焦到水中，並在水中放入直徑為0.6～2.5 μm 的透明塑膠微粒，結果發現這些微粒沿著光軸被加速推離。這個實驗首次明顯地觀測到光壓作用[4]。

除了發現光軸方向的推力之外，Ashkin 還發現一個現像：接近光束的微粒也會被橫向吸入光束中。改用氣泡與液滴重新做光壓實驗得到如下結論：光束對折射率比周圍介質高的微粒具有橫向吸力，但對折射率比周圍介質低的微粒則表現為橫向推力。利用這種橫向作用力，Ashkin 將兩束激光相對入射，聚焦於同一處，結果在兩束激光的軸向作用力相抵消處產生一個可以將微粒橫向吸入並固定不動的勢阱。這就是“雙光束捕獲”的雛形，同時也是“光學捕獲”的首次實現。

在光壓與光學捕獲實驗之後，Ashkin 和許多科學家於1970～1980 年陸續發表了大量相關的研究論文，包括光學懸浮的發明與應用、用不同材質和形狀的微粒作為捕獲對像等。

1985 年，在研究以單束激光捕獲原子時，Ashkin 嘗試用類似的裝置來抓取較大的粒子。結果發現：僅將單束激光高度聚焦，就可以穩定地捕獲這些微粒。

1986 年，Ashkin 等指出將單束激光高度聚焦，在激光束焦點處可以將微粒穩定地捕獲[5]。這種單束激光的光學捕獲稱為“光鑷”，它可以抓取直徑為數納米至數十微米的粒子。圖1.1 為光鑷工作原理圖。當一束強會聚的高斯光場作用於一個透明的微粒時，如果微粒的折射率大於周圍介質的折射率，無論它是在光的傳播方向即z 軸上，還是在垂直於z 軸的x-y 平面內，光束所產生的梯度力都將把微粒推向光場強度的強處，即激光焦點處。同時，光與微粒相互作用時存在散射力，使微粒偏離捕獲位置，當梯度力與散射力平衡時，實現對微粒的穩定捕獲。1987 年，Ashkin 等首先將光鑷用於捕獲生命科學中的細菌病毒[6]。朱棣文進一步發展了光鑷技術，采用激光制冷技術使光捕獲範圍推廣到原子分子的尺度[7]，實現了對原子的冷卻，並因此獲得了1997 年的諾貝爾物理學獎。

迄今為止，對宏觀微粒的輻射壓力研究已取得了豐碩的成果。研究者們解釋了各類光捕獲、光懸浮的物理機制，定量分析了光阱的特性及形成條件。目前，以光捕獲、光懸浮和光操縱技術為基礎的“光鑷”器件已成為相關研究領域的有力工具[8]。光鑷可以捕獲小到5 nm 的物體[9， 10]，能施加超過100 pN 的力[11～13]，力的分辨率可以達到100 aN[14～16]。當用於捕獲和操縱微粒時，與原子力顯微鏡（atomicforce microscope，AFM）、掃描探針顯微鏡（scanning probe microscope，SPM）等手段相比，光鑷具備許多優點，其中為典型的是可實現遠距離非接觸式捕獲及對活體樣品無損傷操縱，因而在生命科學、物理、化學以及微納制造、微流體等諸多領域有著重要的應用價值。例如，在生命科學領域[17～19]，利用光鑷研究了單個生物聚合物（如DNA）、細胞膜、聚集蛋白纖維（如肌動蛋白）、細胞骨架中的纖維凝膠，以及復合結構（如染色質和染色體）的黏彈性，探測了分子馬達，如肌球蛋白、驅動蛋白、加工酶和核糖體所施加的力。光鑷為實現細胞內的手術操作（如修改活細胞內的染色體）提供了很大的希望[20]。以下列舉幾個光鑷應用的具體例子。

在生物學領域，將光鑷用於單分子分析。如圖1.2 所示[21]，圖1.2（a）表示單個DNA 分子被拉伸，DNA 的一端粘在滴液管吸住的微球上，另一端粘在被光鑷捕獲的微球上，由光鑷測量拉伸力，拉伸長度是單鏈DNA 片斷和雙鏈DNA 片斷之和；圖1.2（b）為得到的單鏈DNA 分子和雙鏈DNA 分子的受力和伸長比例曲線，圖中箭頭表示在聚合期間或力引起的核酸外切酶活動期間恆拉力作用時拉伸長度發生的變化。

在納米技術領域，光鑷由於能對微米級和納米級的器件進行非接觸式操縱，所以被用於納米壓印、納米組裝和微納加工[22， 23]。Urban 等[23]將光鑷用於納米壓印，對單個金納米粒子進行定位，並通過範德瓦耳斯力將它們固定在基底上。對單個金納米粒子的定位精度可以達到50 nm。如圖1.3 所示，圖1.3（a）為實驗裝置示意圖，采用的是暗場顯微鏡、浸油物鏡、532 nm 的激光，100 倍浸油物鏡用於收集散射光和聚焦激光至樣品上，樣品位置由壓電驅動步進電機控制，圖像通過數碼相機獲取；圖1.3（b）為一個金納米粒子下降過程中受到的光阱力示意圖；圖1.3（c）為計算得到的帶正電的金納米粒子在帶正電的硅表面襯底附近所受靜電力、範德瓦耳斯力以及它們的合力與距離的關繫；插圖表示為了壓印金納米粒子，要求光阱力大於合力，方向向下。圖1.4 采用光鑷壓印金納米粒子，其中，圖1.4（a）為計算所得的高斯聚焦光作用於直徑80 nm 的金納米粒子時徑向和軸向光阱力與位置的關繫，箭頭為力的方向；圖1.4（b）為被壓印的金納米粒子暗場圖像，兩個圖案分別為“CeNS”和“nim”。

光鑷技術在其發展過程中出現了一些新的形式和技術，如將整形後的貝塞爾光束聚焦產生的光阱控制微粒上下移動[24]，利用拉蓋爾-高斯（Laguerre-Gauss，LG）光束生成的光阱旋轉微粒[25]，在光鑷光路中加入掃描鏡二維控制微粒[26]，采用光纖光鑷捕獲和移動粒子等[27]。

隨著光捕獲及相關研究的發展，國內眾多的研究小組也開展了相關的工作。在對光鑷技術的研究上，起步較早的有中國科學技術大學物理繫李銀妹小組，他們研制出國內首臺納米光鑷，進行了相應理論分析，並有相關譯作出版[28]。中國科學院物理研究所張道中小組采用光鑷進行了SpoIIIE 蛋白在DNA 上運轉速度和移動步幅等方面的研究[29]。西安大學喻有理小組提出了一種應用光鑷技術測量細胞表面電荷的方法[30]。中國科學院西安光學精密機械研究所對產生的類似貝塞爾光束的環形光束進行了理論分析和實驗研究[31]。天津大學超快激光實驗小組利用飛秒激光實現了對人體血紅細胞的穩定捕獲[32]。中國科學院上海光學精密機械研究所進行了脈衝光鑷分離和捕獲粒子的數值模擬[33]。北京理工大學高明偉等利用LG 光束實現了對微米級微粒的俘獲和旋轉[34]。此外，還有清華大學、復旦大學、同濟大學、大連理工大學等高校和科研機構也分別進行了相關研究或探討。

1.2 全息術簡介

全息術這個術語是由Gabor 在1948 年首先提出的[35]。20 世紀60 年代激光的問世，解決了高相干性與大強度光源問題，全息術得到了迅速發展，在許多領域獲得應用。

1.2.1 全息術原理

全息術是利用“干涉記錄、衍射再現”原理兩步實現無透鏡成像過程，用干涉記錄一個三維物體發出的光波前，然後再通過衍射讓它再現。步，把具有振幅和相位的物光波和參考光波相干涉，干涉條紋以強度分布形式記錄成全息圖；第二步，用再現照明光波照射在此全息圖上，全息圖後衍射光場中包含再現的物光波，它們疊加形成物體的再現像。圖1.5 為全息圖記錄和再現示意圖。

圖1.5 全息圖記錄和再現示意圖

1.2.2 計算全息圖

早期，記錄全息圖上條紋的方法是采用相干光源和高分辨率的光致抗蝕劑記錄材料，此技術稱為光學全息術，在全息圖記錄階段，需要實際物體存在。1966 年，Lohmann 等引入幅計算全息圖，實現了合成形狀的全息重現[36]。計算機產生的全息圖不僅可以全面地記錄光波的振幅和相位，而且能綜合復雜的或不存在的物體。計算得到的全息圖可以通過光刻、激光直寫等技術轉錄到硅片、有機光聚合物等材料上，制件，也可以將計算全息圖下載到空間光調制器（spatial light modulator，SLM）顯示，然後用相干光照明的光學繫統來重構。計算全息已應用於二維和三維物體顯示、光信息存儲和處理、全件的制作、全息干涉計量等方面。圖1.6 給出了一幅作者設計的計算全息圖及其三平面重構圖像。

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