光镊技术
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2023年3月6日发(作者：我的心儿砰砰跳)内燃机与配件
0引言
1669年，牛顿提出光的“微粒说”，他认为光是从光源
发出的一种光微粒流，具有直线传播的特性，这是人类对
光的粒子性的最早认知。1905年，基于普朗克的量子假
说，爱因斯坦在一种全新的物理意义上提出了光子学说以
及光的波粒二象性，合理地解释了光与物质相互作用的一
些现象。20世纪60年代，激光的问世为人们研究光与物
质的相互作用提供了一种崭新的光源，为光镊的诞生埋下
伏笔。1970年，利用两束相向传播的聚焦光束成
功地束缚住了在水中的电介质微粒。1986年，只
利用了一束聚焦良好的激光就实现了对水中电介质微粒
的稳定捕获，这标志这光镊的诞生。
光子具有一定的能量和动量，而光镊充分体现了光的
这一特性。光镊是用高度会聚的激光束形成的三维势阱来
俘获，操纵和控制微小颗粒的一项技术。从1986年到今
天，光镊技术不断发展升级，不仅促进了多种学科的发展，
而且在生物学，物理学等领域发挥着越来越多不可替代的
作用。本文将介绍光镊的基本原理，装置构造，以及分类；
讨论光镊应用的优势与不足，并做出相应的前景展望与改
进；回顾近些年来光镊在技术和应用层面的新发展；最后
将分析光镊未来的发展趋势。
1光镊简介
1.1基本原理
光镊是由强会聚的激光束形成的光学势阱，研究微粒
在光阱中受到的光阱力的理论模型有几何光学（RO）近似
模型和电磁（EM）模型。RO模型理论适用于几何尺寸远大
于波长的微粒，EM模型适用与尺寸小于波长的微粒。
图1左院光镊原理示意图袁右院小球在光镊中的受力示意图
光是一种电磁波，其内部震荡的电场会使照射物内形
成电流。电流在光的磁场中形成安培力，称之为光压（或光
的辐射力）。如图1所示，光的辐射力根据其效果可以分为
两种：一种是推动目标沿光的传播方向的散射力
（ScatteringForce），另一种是往光强密度高拉动目标的梯
度力（GradientForce）。
如图1所示，用TEM
00
的激光照射一个小球，距离光
轴较近的入射光线A通过小球时，发生反射，折射，得到
出射光线A'。距离光轴较远的入射光线B通过小球时，发
生反射，折射，得到出射光线B'。小球受到的力为入射光
线AB的光压和出射光线A'B'的光压的矢量和。如图2所
示，将合力分解为沿光轴方向和垂直指向光轴方向的力，
可以得到两组力，分别为F
As
、F
Ag
和F
Bs
、F
Bg
。梯度力是F
Ag
和FBg
的矢量和，指向光轴，表现为拉力,捕获小球。散射力是FAs
和F
Bs
的矢量和，沿光轴方向，表现为推力。实际上，由
于多次反射和出射的存在，光线A忆应包含所有（包括反射
光，透射光）出射光线辐射压的合力，但由于其它的出射光
线对微粒的作用力较小，可忽略不计。
1.2装置构造
BE为beamexpander，即激光扩束；MO，microscopeobjective，物
镜；DM，dichroicmirror，分光镜，样品置于载物台上.
图2光镊实验装置简易图
如图2所示，激光产生后分别经过扩束器、分光镜后，
被显微镜物镜汇聚在样品池上，形成光镊，以镊取样品。样
品池置于可操纵的平台上，微小移动平台使样品被光镊捕
获，再通过计算机智能地控制光镊对样品进行其他操作。同
时显微镜的物镜对于样品进行成像，光线经过分光镜后成
像在CCD（或CMOS），然后可以传输给计算机进行显示。
2光镊应用的优势与不足
2.1光镊的优势
光镊通过非机械接触的方式对微粒进行操控，有效地
避免了对微粒的机械损伤。而且光镊可以深入细胞内部，
对里面的物质进行操控，这是其他的操控手段无法达到
的。光镊还是极其灵敏的力传感器，它能够感应到粒子的
光镊的发展
要要要追寻光的力量
李一凡
（河南省实验中学，郑州450000）
摘要院光镊是利用光压形成的散射力和梯度力，对纳米级至微米级的粒子进行捕获和操纵的一种工具，日益广泛地应用于物理、
生物等领域。本文首先介绍了光镊的基本原理、装置构造、分类，接着讨论了光镊应用的优势与不足并提出相应的改进意见，最后在回
顾近些年来光镊在技术和应用层面的新发展的同时，对光镊未来的发展趋势进行了分析和展望。
关键词院光镊；微粒操控；生命科学
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InternalCombustionEngine&Parts
微小变化，这就给微小物质之间的相互作用的定量测量提
供了新的方法。
2.2光镊的不足之处
2.2.1灵活度不够
由于用光镊操纵微粒时，是保持光阱俘获样品不动，
通过载物台的运动带动样品池运动，这就引起样品相对样
品池运动。显然，这样操作的灵活度会极大地受限于设备
庞大的体积，如何缩小设备的体积的同时保持成像效果不
变是一个问题。
2.2.2介质不同引起光阱捕获力下降
光线经过显微物镜之后，会引起与光轴夹角不同的光
线交于光轴的不同位置，就形成一个弥散的圆斑。加之大
多数的情况下，光需要经过油层—玻璃—水才能到达捕获
微粒。油和水的折射率不同会导致圆斑的弥散程度放大，
从而降低了光的会聚能力。进而造成一些光无法照射到捕
获物体上，使光阱的捕获能力下降。随着光强的增大，没有
照射到物体上的光越来越多，光阱的捕获能力被削弱的程
度也随之加大。由于这个问题是光学系统本身引起的，有
可能通过改造光学系统来增强光的会聚程度来改进。把油
浸物镜换成水浸物镜可以对会聚现象有所改进，但是会显
著提高成本。
3光镊的应用
3.1光镊与生物学
3.1.1观察蛋白质和核酸折叠过程
生物分子的折叠现象极其复杂。折叠过程中一个很
重要的环节叫做过渡态。一直以来，由于过渡路径是单分
子现象并且持续时间短暂，从未被人们直接观察到，只有
理论结果。在本实验中，研究人员使用光镊直接观测到单
个分子蛋白质和核酸的折叠过程，得到了平均运输时间
以及运输时间的分布图，与假理论预测相吻合，证实了折
叠反应的物理理论。本实验是人们首次在单分子水平上
对微观的临界状态进行观察，为单分子观测开辟了一条
新的道路。
3.1.2研究细胞的微环境
细胞是生物体的基本组成单位，但是目前，人们无法
具体的知道在细胞的世界里发生了什么。在这项研究中，
研究人员构建了一种新型微观细胞，利用全息光镊技术可
大量操纵这些细胞，并对这些细胞进行3D研究，这样研
究者就可以更深入地了解细胞。通过对细胞微环境的深入
研究能够给疾病治疗和药物研发带来福音。
3.1.3捕获活体动物内的细胞以清除细胞堵塞
体内研究技术是活体研究的重要工具，因为它往往能
够给我们提供直接可靠的结果。在本实验中研究人员利用
光镊技术，首次实现了对活体动物内的细胞进行光学捕
获。研究人员把光镊放到小鼠耳朵的毛细血管内，观察到
当血细胞经过光阱时会减速，最终会有一个血细胞停留在
光阱中，继而造成血管堵塞。当然，通过光镊拖拽血细胞，
也可以进行血管疏通，让血液恢复正常流动。可见，在不久
的将来，光镊技术会在活体研究和临床治疗上大显身手。
3.2光镊与物理学
3.2.1超高灵敏度测量纳米粒子的扭矩
从库仑定律到万有引力常数的测定再到广义相对论
等质量原理的验证，扭秤都做出了卓绝的贡献。在这项实
验中，研究人员用光镊束缚扭动中的纳米金刚石，并将该
系统冷却到量子基本态附近。这个实验使人们利用光镊
系统制造微小的机械振子和测量原子核自旋扭矩成为了
可能。
3.2.2驱动Janus粒子可控旋转
在该项研究中研究人员制备了一种大量操控简单的Janus粒子（本文所提到的Janus粒子表面是金-聚苯乙烯
组成的），实现了Janus粒子在光镊中可控的稳定旋转，并
发现粒子稳定的旋转是粒子结构的对称性破缺造成的。这
对于制备可旋转的微型马而言是突破性的进展，并为微型
器械的设计提供了全新的思路。
3.2.3建立两个可运输中性原子间建立纠缠态
科学家把两个光镊里的粒子合并到同一个光镊中
去，并通过其他的技术手段，建立起两个粒子间的自旋纠
缠态；把这两个粒子分开，纠缠态还可以维持。光镊对推
进量子科学发展有着不可估量的作用，通过这个例子我
们便可略窥一斑。我们期待未来光镊子能够做出更多的
贡献。
4光镊的发展
新型光场理论的发展，使光镊的光场得以改进，实现
光镊对粒子更复杂，更精确，更大范围的操控，极大促进了
光镊的多元化发展。比如说，旋涡光束较为稳定，可实现在3mm范围内，牵引粒子沿轴向运动，这个范围远大于传统
高斯光束的可操纵范围。自加速光束并非沿直线传播，而
是沿某一特定的曲线运动，这就可以引导粒子沿某一特定
的轨道运动。偏振光束的会聚性较强，实现了对金属粒子
的操控。全息光镊技术有多光阱，并且在捕获多个粒子的
同时可以实现对单粒子的独立操控。相信在未来，光镊技
术会有更大的发展，能够为更多的领域提供帮助。
5结语
从1986年，发现光镊的雏形，到今天，在过
去的三十多年的时间里，光镊日益成熟，光镊的技术还在
不断地更新。它已经不再仅限于科学家的实验室，而是被
更多的人所了解。光镊的潜力不仅在光学领域，而是与其
它的科学领域交叉融合创造出其它的可能。可以预见，在
未来光镊会蓬勃地发展，更好地造福人类社会。
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