光镊，即单光束梯度力光阱，是利用光与物质间动量传递的力学效应而形成的三维势阱来捕获和操纵微粒的技术。聚焦激光束提供散射力和梯度力，可在飞牛fN(10^-15)到皮牛pN（10^-12）量级上测量作用在微粒上的力。近20年来光镊技术的研究和应用得到了迅速的发展，特别是在生命科学领域，光镊已成为研究单个细胞和生物大分子行为不可或缺的有效工具。

光具有能量和动量，携带动量的光与物质相互作用时会有动量的传递，从而表现为光对物体施加力，并由此引起物体的位移和速度的改变，称之为光的力学效应。可以将光阱力分为两部分，即散射力和梯度力。由光束散射形成散射力，力的大小与光强成正比，方向与光束传播方向相同，光散射力是散射光子动量传递的结果。对于光镊系统，梯度力相比更为重要，力的大小与光强空间梯度变化成正比，方向与光强梯度方向相同。当入射光束通过透明物体时，会使光阱中电偶极子产生波动形成与梯度场方向相同的梯度力。

根据光镊的物理原理，可以利用两种力学模型进行描述：几何光学模型和瑞利散射模型，每种模型对应于不同尺寸范围的粒子。

几何光学模型

当捕获粒子直径远大于捕获激光波长时，即d》λ，可以利用几何光学近似的方法，也称为米氏模型（Mie regime）。具有动量的光束在通过折射率为n的粒子时，发生折射而改变传播方向。根据动量守恒定律，偏转光束的动量变化率对应于一个大小相等、方向相反的动量变化。因此由牛顿第二定律，动量的时间变化率得到光阱力。

光束通过两种不同介质的分界面，就会产生反射和折射。当微粒折射率n大于样品池中液体折射率n_m时，激光聚焦在球状粒子的中心发生反射和折射。

被微粒表面反射的光束产生散射力，该作用力的方向和光束传播方向相同，力的大小与激光束功率成正比。而光束折射则产生梯度力，可以吸引粒子到激光束焦点，力的大小则与激光束功率梯度成正比。微粒被捕获的位置就是散射力和梯度力矢量和为零的位置，该位置即为捕获中心，位于高数值孔径显微物镜焦点附近。

 瑞利散射模型

当捕获粒子直径远小于激光波长时，即d《c，光阱力的大小与场梯度成正比，微粒简化为电偶极子散射体。激光束不能直接用光线表示，因此光束焦点用衍射极限区域表示，而不是直接用点来表示，并且区域大小近似于激光波长。

光阱力通常定义为：

其中：P表示入射激光功率，Q为无量纲的效率值，表明全部激光功率中用于施加作用力的部分。n_m是介质的折射率，c代表光速值。对于平面波入射到理想粒子上时，Q=1。在已知介质中，激光功率保持在一个稳定的变化范围内，因此，Q是捕获力的主要决定参数，它与显微物镜的数值孔径NA、激光模式、激光波长λ、光束偏振态，相对折射率、微粒的几何形状都有关系。

如上图所示，基本的光镊系统包括：激光器，隔离器，扩束镜，光束控制结构，显微物镜，分束镜，声光偏转器，测量光束位移的位置探测器（光电二极管）。

激光器一般选择波长为1064nm的Nd:YAG激光器，因为当捕获激光的光谱范围在近红外范围（800~1100nm）时，光束聚焦后产的热量对生物样品造成光学损伤达到最低，并且对于生物活体的光镊实验， 830-970nm 波长的捕获激光束产生的光学损失会更小。

隔离器是利用磁光晶体的法拉第效应，即平面偏振光沿着外加磁场方向在晶 体内传播时，偏振面发生旋转而构成的一种非互易光学元件。隔离器的功能就是保证光束传播的单一方向性，使得光束无法从相反方向传播。它用于防止可能产生的后向传输信号，能够保护激光光源，避免光路中的反射光束使激光器的峰值波长出现漂移，造成跳模、振幅改变或者频移，导致激光器工作时产生较大的功率起伏和相位噪声，对光谱输出功率稳定性和光路系统产生不良影响，降低激光器寿命。

物镜用于聚焦捕获激光形成光阱。物镜的主要参数包括数值孔径（NA），光束透过率，工作距离，沉浸介质（水,油或甘油）都会影响物镜聚焦激光的捕获深度和光阱刚度。光镊系统要求利用高 NA（通常 1.2~1.4）物镜产生足够的激光强度梯度用于抵消散射力的影响,从而形成稳定的光阱。

要形成非常稳定的光阱，就要求在光路中充分利用物镜的高数值孔径，所以，经过隔离器后的光束需要通过扩束放大，使光束充满物镜入瞳。光束直径越小，形成的光阱轴向方向捕获力越弱，反之，光束直径越大，除光束受物镜结构影响，边缘有轻微功率损耗外，形成的光阱捕获效率非常高。

光束控制结构用于改变物镜聚焦的光阱位置，实现对样品的位置操纵。同时， 系统实现高精度位置探测也要求压电驱动反射镜（PM）和声光偏转器（AOD） 的位置与物镜背部光圈共轭，这样才能保证在光束偏转角度的同时，入射到物镜 背部的光斑位置不发生变化。

要实现力和位移的精确测量,需要对位置探测系统进行精确标定。

但单光镊系统每次仅能捕获一个微粒不能完成对大量微粒的同时捕获或操作,因此自1998年开始出现了阵列光镊的概念,它可同时对多个微粒进行三维捕获,如分时扫描光镊。

分时扫描光镊的核心部件是光束偏转器,通常使用扫描振镜、AOD、电光偏转器等器件。激光束经过偏转器在显微物镜的像平面上快速扫描,通过计算机控制光束的行走路径,使激光束在几个固定点之间快速切换。当光点在各个微粒上的作用时间大于最小停留时间,而离开时间小于粒子的布朗运动时间时,粒子被束缚在光点扫描路径上,排布成各种图案,或者在几个固定点上同时捕获粒子。通过控制光束的扫描速度,还可以使被捕获的粒子沿光束的扫描轨迹运动。

下图为利用 AOD生成阵列光镊的装置。激光器(1)发射的光束经过半波片和线性偏振镜(2)后通过两个垂直放置的AOD(3)调制光的传播路径,经过二色镜(4)和显微物镜(5)在样品池内形成阵列光镊, 用于捕获微粒或是进行动态操作。分时扫描光镊由于采用单光束扫描,所以光强损失小,可以使用较小功率的激光器。但缺点是仅产生二维光点阵列捕获粒子小。其原因是由于通过改变偏振的角度仅可以控制水平方向的光点,而在每个光点上的停留时间可以通过计算得到,从而产生可控的光陷阱。利用AOD产生的光点阵列可以实现间接操作细胞。

如上图所示，通过捕获2μm 覆盖有 RGD(Arg-Gly-Asp)的乳胶微粒, 使其接触大肠杆菌的细胞膜以控制大肠杆菌, 从而实现对细胞的拉伸或压缩操作。

DTSXY-400声光偏转器（AOD）

该偏转器总分辨率为160000点（2轴），圆形输入激光束直径高达6.7毫米（光强降至1/e²）。主要优点是可以达到3×3度的大扫描角。搭配一个自适应频率驱动器使用。

注：AA公司也可提供孔径（Aperture）为4.5×4.5mm²的DTSXY-250。

数字频率合成器（High Resolution Direct Digital Synthesizers DDSA）

该数字频率合成器具有高稳定性，高分辨率（DDSA31位定位精度<0.5 mrad）。与AA放大器配合使用，可用于高精度应用。

PC接口板控制频率（15～31位）以及频率的锁存器（1位E/D）。

射频功率放大器(Associated RF Power amplifiers AMPA)

AA外部USB控制器（USB-CTRL-DDS）

其USB 2.0接口使用户能够快速轻松地设置驱动一个或两个变频器，一个偏转器或两个偏转器的合成器。此USB控制器与15,23和31位DDS驱动程序兼容。

来自《Optical Tweezers》http://www.aaoptoelectronic.com/6en.aspx

《从单光镊到阵列光镊》王欣, 李勤, 胡晓明 航天医学与医学工程第22卷 第6期