概述

光的本質是一種攜帶能量和動量的電磁波，當電磁波與物體發生相互作用時，其能量和動量均發生變化。當光與物質發生相互作用時，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間動量傳遞的力學效應而形成的三維梯度光學勢阱。與傳統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。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，光鑷技術已經實現微米尺度量級粒子的操縱控制；并且在光電教學實驗、生物醫學、膠體物理、原子物理等領域被廣泛應用。

系統工作原理

激光器發出的細激光束經擴束系統擴束成粗激光束后入射到二向色鏡上；然后經二向色鏡反射進入顯微物鏡，經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物鏡后聚焦到樣品池而實現對樣品的照明；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，調節使之處于共焦；調試完成后，開啟激光、照明光源、CMOS相機及軟件，緩慢移動三維平移臺，便可實現和觀察光鑷的捕獲效果。

光鑷系統的原理光路圖如下圖所示：

光鑷系統原理光路圖

單光束光鑷系統產品

本光鑷系統可實現可見光波段，紅外波段微米級穩定捕獲，在生物醫學、膠體物理、原子物理等領域被廣泛應用。

單光束光鑷系統產品實物圖

光鑷系統產品規格說明表

特點

系統緊湊，易于集成，可以滿足各種應用和需求；

硬件設備留有光電一體化模塊，可靈活實現多光束，多波段集成升級；

自主研發模塊結構及光電驅動系統，可提供多種捕獲類型的產品。

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換全息圖像，使得在物鏡焦區得到預期的光場，從而可對陣列中任意光阱的微粒進行獨立動態操控。本全息光鑷系統，具體原理圖如下所示。

全息光鑷系統示意圖

全息光鑷技術通過調制入射光波前可以產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、輸運與分選等功能操作。

應用領域

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

審核編輯 黃宇