《全息光镊》：
第1章 绪 论
1.1 光镊技术简介
随着物理光学的发展，人们认识到光可能是由光子构成。由于光子不仅携带能量，同时还具有线性动量和角动量，因此能在物体上产生辐射压与力矩。开普勒首次提出了辐射压力的概念，指出太阳的辐射压力是使彗星尾部发生偏转的原因。1873 年，麦克斯韦对辐射压力的概念作了进一步的描述[1]。他说：“电灯的会聚光线所贡献的辐射能量要比太阳光线大得多。这样的光线打到薄金属盘上，会产生可观的机械效应，即金属盘会微妙地悬浮在真空中。”1901 年，Lebedev 搭建了一个光学装置，证明了麦克斯韦的陈述[2]。对于光镊技术，同样重要的是显微镜的发明。据记载，第一台复式显微镜是由荷兰眼镜制造商Jansen 于1595 年制造的。1670 年，荷兰学者Leeuwenhoek用简单的方法制造出了高品质倍率玻璃，并观察了细菌、红细胞和精子。
辐射压力的构想和显微镜的应用发展了几个世纪，一个显著的突破就是Maiman 于1960 年发明了第一台激光器[3]。波长、方向和相位确定的相干激光光源可以确保实现高精度和具有分析价值的实验，自然便有了将辐射压力、显微镜和激光器结合起来的想法，于是光镊技术应运而生。1970 年，Ashkin 经过估算，认为聚焦的激光有可能推动数微米大小的微粒。于是他将氩离子激光聚焦到水中，并在水中放入直径为0.6~2.5 μm 的透明塑胶微粒，结果发现这些微粒沿着光轴被加速推离。这个实验首次明显地观测到光压作用[4]。
除了发现光轴方向的推力之外，Ashkin 还发现一个现象：接近光束的微粒也会被横向吸入光束中。改用气泡与液滴重新做光压实验得到如下结论：光束对折射率比周围介质高的微粒具有横向吸力，但对折射率比周围介质低的微粒则表现为横向推力。利用这种横向作用力，Ashkin 将两束激光相对入射，聚焦于同一处，结果在两束激光的轴向作用力相抵消处产生一个可以将微粒横向吸入并固定不动的势阱。这就是“双光束捕获”的雏形，同时也是“光学捕获”的首次实现。
在光压与光学捕获实验之后，Ashkin 和许多科学家于1970~1980 年陆续发表了大量相关的研究论文，包括光学悬浮的发明与应用、用不同材质和形状的微粒作为捕获对象等。
1985 年，在研究以单束激光捕获原子时，Ashkin 尝试用类似的装置来抓取较大的粒子。结果发现：仅将单束激光高度聚焦，就可以稳定地捕获这些微粒。
1986 年，Ashkin 等指出将单束激光高度聚焦，在激光束焦点处可以将微粒稳定地捕获[5]。这种单束激光的光学捕获称为“光镊”，它可以抓取直径为数纳米至数十微米的粒子。图1.1 为光镊工作原理图。当一束强会聚的高斯光场作用于一个透明的微粒时，如果微粒的折射率大于周围介质的折射率，无论它是在光的传播方向即z 轴上，还是在垂直于z 轴的x-y 平面内，光束所产生的梯度力都将把微粒推向光场强度的最强处，即激光焦点处。同时，光与微粒相互作用时存在散射力，使微粒偏离捕获位置，当梯度力与散射力平衡时，实现对微粒的稳定捕获。1987 年，Ashkin 等首先将光镊用于捕获生命科学中的细菌病毒[6]。朱棣文进一步发展了光镊技术，采用激光制冷技术使光捕获范围推广到原子分子的尺度[7]，实现了对原子的冷却，并因此获得了1997 年的诺贝尔物理学奖。
迄今为止，对宏观微粒的辐射压力研究已取得了丰硕的成果。研究者们解释了各类光捕获、光悬浮的物理机制，定量分析了光阱的特性及形成条件。目前，以光捕获、光悬浮和光操纵技术为基础的“光镊”器件已成为相关研究领域的有力工具[8]。光镊可以捕获小到5 nm 的物体[9， 10]，能施加超过100 pN 的力[11~13]，力的分辨率可以达到100 aN[14~16]。当用于捕获和操纵微粒时，与原子力显微镜（atomicforce microscope，AFM）、扫描探针显微镜（scanning probe microscope，SPM）等手段相比，光镊具备许多优点，其中最为典型的是可实现远距离非接触式捕获及对活体样品无损伤操纵，因而在生命科学、物理、化学以及微纳制造、微流体等诸多领域有着重要的应用价值。例如，在生命科学领域[17~19]，利用光镊研究了单个生物聚合物（如DNA）、细胞膜、聚集蛋白纤维（如肌动蛋白）、细胞骨架中的纤维凝胶，以及复合结构（如染色质和染色体）的黏弹性，探测了分子马达，如肌球蛋白、驱动蛋白、加工酶和核糖体所施加的力。光镊为实现细胞内的手术操作（如修改活细胞内的染色体）提供了很大的希望[20]。以下列举几个光镊应用的具体例子。
在生物学领域，将光镊用于单分子分析。如图1.2 所示[21]，图1.2（a）表示单个DNA 分子被拉伸，DNA 的一端粘在滴液管吸住的微球上，另一端粘在被光镊捕获的微球上，由光镊测量拉伸力，拉伸长度是单链DNA 片断和双链DNA 片断之和；图1.2（b）为得到的单链DNA 分子和双链DNA 分子的受力和伸长比例曲线，图中箭头表示在聚合期间或力引起的核酸外切酶活动期间恒拉力作用时拉伸长度发生的变化。
在纳米技术领域，光镊由于能对微米级和纳米级的器件进行非接触式操纵，所以被用于纳米压印、纳米组装和微纳加工[22， 23]。Urban 等[23]将光镊用于纳米压印，对单个金纳米粒子进行定位，并通过范德瓦耳斯力将它们固定在基底上。对单个金纳米粒子的定位精度可以达到50 nm。如图1.3 所示，图1.3（a）为实验装置示意图，采用的是暗场显微镜、浸油物镜、532 nm 的激光，100 倍浸油物镜用于收集散射光和聚焦激光至样品上，样品位置由压电驱动步进电机控制，图像通过数码相机获取；图1.3（b）为一个金纳米粒子下降过程中受到的光阱力示意图；图1.3（c）为计算得到的带正电的金纳米粒子在带正电的硅表面衬底附近所受静电力、范德瓦耳斯力以及它们的合力与距离的关系；插图表示为了压印金纳米粒子，要求光阱力大于合力，方向向下。图1.4 采用光镊压印金纳米粒子，其中，图1.4（a）为计算所得的高斯聚焦光作用于直径80 nm 的金纳米粒子时径向和轴向光阱力与位置的关系，箭头为力的方向；图1.4（b）为被压印的金纳米粒子暗场图像，两个图案分别为“CeNS”和“nim”。
光镊技术在其发展过程中出现了一些新的形式和技术，如将整形后的贝塞尔光束聚焦产生的光阱控制微粒上下移动[24]，利用拉盖尔-高斯（Laguerre-Gauss，LG）光束生成的光阱旋转微粒[25]，在光镊光路中加入扫描镜二维控制微粒[26]，采用光纤光镊捕获和移动粒子等[27]。
随着光捕获及相关研究的发展，国内众多的研究小组也开展了相关的工作。在对光镊技术的研究上，起步较早的有中国科学技术大学物理系李银妹小组，他们研制出国内首台纳米光镊，进行了相应理论分析，并有相关译作出版[28]。中国科学院物理研究所张道中小组采用光镊进行了SpoIIIE 蛋白在DNA 上运转速度和移动步幅等方面的研究[29]。西安大学喻有理小组提出了一种应用光镊技术测量细胞表面电荷的方法[30]。中国科学院西安光学精密机械研究所对产生的类似贝塞尔光束的环形光束进行了理论分析和实验研究[31]。天津大学超快激光实验小组利用飞秒激光实现了对人体血红细胞的稳定捕获[32]。中国科学院上海光学精密机械研究所进行了脉冲光镊分离和捕获粒子的数值模拟[33]。北京理工大学高明伟等利用LG 光束实现了对微米级微粒的俘获和旋转[34]。此外，还有清华大学、复旦大学、同济大学、大连理工大学等高校和科研机构也分别进行了相关研究或探讨。
1.2 全息术简介
全息术这个术语是由Gabor 在1948 年首先提出的[35]。20 世纪60 年代激光的问世，解决了高相干性与大强度光源问题，全息术得到了迅速发展，在许多领域获得应用。
1.2.1 全息术原理
全息术是利用“干涉记录、衍射再现”原理两步实现无透镜成像过程，用干涉记录一个三维物体发出的光波前，然后再通过衍射让它再现。第一步，把具有振幅和相位的物光波和参考光波相干涉，干涉条纹以强度分布形式记录成全息图；第二步，用再现照明光波照射在此全息图上，全息图后衍射光场中包含再现的物光波，它们叠加形成物体的再现像。图1.5 为全息图记录和再现示意图。
图1.5 全息图记录和再现示意图
1.2.2 计算全息图
早期，记录全息图上条纹的方法是采用相干光源和高分辨率的光致抗蚀剂记录材料，此技术称为光学全息术，在全息图记录阶段，需要实际物体存在。1966 年，Lohmann 等引入第一幅计算全息图，实现了合成形状的全息重现[36]。计算机产生的全息图不仅可以全面地记录光波的振幅和相位，而且能综合复杂的或不存在的物体。计算得到的全息图可以通过光刻、激光直写等技术转录到硅片、有机光聚合物等材料上，制成衍射元件，也可以将计算全息图下载到空间光调制器（spatial light modulator，SLM）显示，然后用相干光照明的光学系统来重构。计算全息已应用于二维和三维物体显示、光信息存储和处理、全息光学元件的制作、全息干涉计量等方面。图1.6 给出了一幅作者设计的计算全息图及其三平面重构图像。
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