摘要：光鑷技術(shù)在分子生物學(xué)、膠體科學(xué)、實(shí)驗(yàn)原子物理等領(lǐng)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(shù)。利用全息元件或空間光調(diào)制器(SLM)所形成的全息光鑷，在多粒子操控方面的優(yōu)勢(shì)，為光鑷技術(shù)走向?qū)嵱没�、�?guī)模工業(yè)生產(chǎn)打開(kāi)了新局面，是目前光鑷家族極具活力的成員。簡(jiǎn)述了全息光鑷的原理及典型實(shí)驗(yàn)光路，詳細(xì)介紹了該技術(shù)在眾多領(lǐng)域的最新應(yīng)用進(jìn)展以及潛在的應(yīng)用。

引言

光鑷自1986 年發(fā)明[1]以來(lái)，以其非接觸 低損傷等優(yōu)點(diǎn)，在激光冷卻、膠體化學(xué)[2~5]分子生物學(xué)[6,7]等領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)揮了極其重要的作用。隨著光鑷技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，為適應(yīng)更多的研究需求，光鑷技術(shù)本身也在向?qū)崟r(shí)可控的復(fù)雜光阱方面不斷地改進(jìn)。目前研究人員經(jīng)過(guò)不斷地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法以及控制樣品的布朗運(yùn)動(dòng)，可以在秒的時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)埃量級(jí)精度的位移測(cè)量[8]。同時(shí)可以捕獲并觀察到最小達(dá) 25 nm 的粒子[1]，并有望捕獲更小的納米粒子。

在過(guò)去的幾十年里，光鑷技術(shù)的發(fā)展使人們較詳細(xì)地了解在復(fù)雜的生物系統(tǒng)中分子的運(yùn)動(dòng)機(jī)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(lèi)型的光學(xué)勢(shì)阱，如雙光鑷[9]、三光鑷[10， 11]、四光鑷[12]、掃描光鑷[13， 14]、飛秒光鑷[15]等 這一系列光鑷的衍生技術(shù)不僅豐富了光鑷家族，更為生物科學(xué)等不同領(lǐng)域在微納尺度的研究提供了一個(gè)非常巧妙的工具，如測(cè)量雙鏈 DNA 的解螺旋[16]過(guò)程研究分子馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制[7]分離水稻染色體[17]等。

多光阱操控技術(shù)在眾多的實(shí)驗(yàn)研究中顯得越來(lái)越重要。光鑷技術(shù)在一個(gè)由簡(jiǎn)單的單光束梯度力光阱向多光鑷及阱位可控的復(fù)雜光鑷的不斷發(fā)展過(guò)程中，全息光鑷作為一種產(chǎn)生多光阱或新型光學(xué)勢(shì)阱的方法脫穎而出 它不僅能構(gòu)成各種功能的光阱，并且還能實(shí)現(xiàn)三維光阱陣列，并且?guī)��?dòng)了一系列的研究和發(fā)展[18， 19]科學(xué)家 Grier[18]預(yù)言，全息光鑷將引發(fā)光學(xué)操縱的一場(chǎng)技術(shù)革命。

2.全息光鑷的原理

全息元件是構(gòu)成全息光鑷的關(guān)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(chǎng)再現(xiàn)時(shí)，只需用原來(lái)的參考光照射全息元件，即可獲得重建的物光場(chǎng)。全息光鑷就是利用全息元件構(gòu)建的具有特定功能的光場(chǎng)而形成的光鑷。所形成的光場(chǎng)性質(zhì)的不同，全息光鑷會(huì)實(shí)現(xiàn)不同的功能，如單粒子的旋轉(zhuǎn) 多粒子的操控和分選等。最早的全息光鑷由芝加哥大學(xué) Eric R. Dufresne 等[20]于 1998 年實(shí)現(xiàn)，他們使用衍射光學(xué)元件(DOE)將準(zhǔn)直的激光束分成多個(gè)獨(dú)立的光束，通過(guò)強(qiáng)會(huì)聚透鏡聚焦后形成多光鑷。構(gòu)建全息光鑷的關(guān)鍵是根據(jù)實(shí)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(diǎn)是所拍攝的全息元件存在衍射效率低。制作費(fèi)時(shí)以及通用性差等，因而它在全息光鑷中并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。

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