光学镊子就是用光形成的镊子,它是建立在光辐射压原理上的.光辐射压的提出源于开普勒和牛顿时代,当时理论认为光是一种粒子,根据牛顿力学原理,运动着的粒子束会产生压力.在天文学中,彗星的尾巴始终背向太阳就是光具有辐射压力的一个典型例子.然而,光压的存在和麦克斯韦对辐射压力的理论预言则是到了20世纪初才在实验室中得到实验证明的.
20世纪60年代,当激光作为具有极高亮度的相干光源出现时,光压的研究发生了革命性的变化.70年代初,人们开始对激光的辐射压开始全面和深入的研究,特别是对原子在不同条件下所受辐射压力的性质和机制进行理论探讨和实验观测,从而发展起原子束的激光偏转,激光冷却,光子粘胶及原子喷泉等实验技术,同时利用光压进行原子俘获,粒子操纵等研究.正是由于在激光冷却方面的先驱性研究,著名的华裔科学家,斯坦福大学的朱棣文教授与其他两人共同获得了1997年度诺贝尔物理学奖.
我们知道,光源同时具有热效应和辐射效应.对普通光源而言,由热效应所产生的压力比由单纯动量交换产生的辐射压力大几个数量级,因此很难获得足够的辐射压力.激光的出现改变了这一状况,使光的辐射压力得到充分体现.同时激光光束的截面分布具有简单确定的数学表达,便于进行理论处理,使光阱和光悬浮的研究成为可能.激光镊子是利用激光与物质间进行动量传递时的力学效应形成三维光学势阱.它的基本原理如图.
当一束强汇聚的高斯光场作用于透明粒子时,如果粒子的折射率n1大于周围介质的折射率n0,梯度力Fa, Fb 会把粒子推向光场的最强处(轴心). 在光束传播方向上光对粒子不仅会产生轴向的推力,还会产生逆轴向的拉力,从而实现捕获. 这里光学捕获是通过透明介质微粒与光子发生动量交换而完成的. 这与带电粒子受静电场库仑力或交变场的梯度力而实现的电动捕获不同,与金属粒子或超导体在磁场中的磁悬浮也不同.
1970年,美国电报电话公司贝尔实验室的阿什金教授采用一束高斯激光,成功地在垂直于光的传播方向上束缚了悬浮在水中的聚苯乙烯微粒,这一实验将辐射压的应用从原子量级扩展到了微米范围,奠定了光镊的研究基础.之后他又设计了双光束光学陷阱,初步实现了光镊的雏形.
1986年,他把单束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱,证明光学势阱可以无损伤地操纵活体物质.目前所说的光镊即是这样一种三维全光学势阱. 光镊对粒子无损伤,具有非接触性,作用力均匀,微米量级的精确定位,可选择特定个体,并可在生命状态下进行操作等特点,特别适用于对细胞和亚细胞层次上活体的研究,如对细胞或细胞器的捕获,分选与操纵,弯曲细胞骨架,克服布朗运动所引起的细菌旋转等. 这也正是光镊得以在生物领域中被广泛应用,并显示出强大生命力和广阔应用前景的原因之一. 正如其发明者所说,光镊 ‘将细胞从它们的正常位置移去的能力,为我们打开了精确研究其功能的大门’.
