王 軍，李 政，陳 鑠，朱 州，李何良

(1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 201114;2.上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

光鑷技術(shù)又稱光學(xué)捕獲與光學(xué)微操控技術(shù)，是一種利用強(qiáng)會(huì)聚激光光束產(chǎn)生的勢阱來捕獲和操控微米、納米甚至原子級(jí)別粒子的技術(shù)[1-2]。光鑷技術(shù)最大的優(yōu)勢在于對(duì)微粒的非接觸式操控,避免了微粒的機(jī)械損傷。由于其獨(dú)特的操控特性,光鑷技術(shù)在激光學(xué)、化學(xué)材料學(xué)、生物分子學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，光鑷技術(shù)取得了許多重要進(jìn)展。早期的光鑷技術(shù)只能捕獲微米量級(jí)的粒子，操縱功能非常有限，因此，捕獲納米粒子或更小的粒子是光鑷技術(shù)發(fā)展的必然趨勢?，F(xiàn)有的光鑷技術(shù)大多采用連續(xù)激光源，其激發(fā)功率通常在毫瓦到瓦量級(jí)之間。近年來，人們采用低功率、高重復(fù)頻率的超快激光脈沖成功捕獲微納粒子，可以獲得與連續(xù)激光同等的捕獲效率，且有作用于生物組織時(shí)幾乎不傷及周圍區(qū)域的優(yōu)點(diǎn)。因此，采用超快激光脈沖光鑷來操控納米粒子，可在不破壞被捕獲納米粒子的前提下，精確地控制能量大小、空間位置和捕獲時(shí)間，并可同時(shí)研究粒子的捕獲動(dòng)力學(xué)過程。

本文首先介紹了光鑷技術(shù)的原理及研究進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步介紹了超快脈沖光束在光鑷技術(shù)中的應(yīng)用，最后計(jì)算了超快脈沖光束作用于瑞利粒子的光學(xué)力。

1 光鑷技術(shù)原理及研究進(jìn)展

光鑷技術(shù)的原理實(shí)際上是能量傳遞的過程。光束在傳播過程中具有能量，當(dāng)光波遇到微小粒子時(shí)，可以把光束看作是具有能量和動(dòng)量的粒子流。光除了可以將能量以熱量的形式傳遞給物質(zhì)以外，也能將動(dòng)量以力的形式傳遞給物質(zhì)。對(duì)于微粒而言，粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，相當(dāng)于受到了外力的作用。實(shí)際上，需要根據(jù)粒子大小與波長對(duì)比建立光鑷?yán)碚撃Ｐ?。一般而言，電磁理論可適用于任意尺寸的粒子，但是其計(jì)算過程復(fù)雜，不能直接、客觀地得出結(jié)論。對(duì)于較大粒子而言(粒子尺寸遠(yuǎn)大于波長)，運(yùn)用宏觀的動(dòng)力學(xué)可求解粒子的受力情況。光攝技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 光鑷技術(shù)原理圖

但是在粒子尺寸遠(yuǎn)小于波長的情況下，必須基于瑞麗粒子極化理論來計(jì)算粒子的受力情況。目前，光鑷技術(shù)著重于捕獲微小粒子，因此，瑞麗粒子極化理論是目前使用較為廣泛的一種研究粒子受力情況的方法。根據(jù)該理論描述，光力可分成兩部分：一是能夠提供粒子受力平衡點(diǎn)的梯度力；二是正比于波印廷矢量軌道部分的輻射力，可破壞光學(xué)捕獲、推動(dòng)粒子遠(yuǎn)離焦點(diǎn)。除此之外，粒子還受到光波熱量的影響，進(jìn)行一定的布朗運(yùn)動(dòng)。為了穩(wěn)定地捕獲和操控粒子，光束提供的梯度力要遠(yuǎn)大于輻射力，并且可以克服粒子的布朗運(yùn)動(dòng)，防止粒子在勢阱中的逃逸[1]。通過合理地選取粒子及光束，光鑷技術(shù)可以在三維空間任意捕獲和操控粒子，例如旋轉(zhuǎn)、拉升、篩選粒子等。光子經(jīng)過雙折射微粒后，光子角動(dòng)量的變化能傳遞給微粒產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在微觀尺度上操控粒子，進(jìn)而深入研究光子的自旋-軌道角動(dòng)量的守恒和轉(zhuǎn)換等光的本質(zhì)問題。

光鑷技術(shù)由于其非接觸式的操控方式，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。如在原子物理領(lǐng)域， S.Chu小組[2]利用兩束相向的激光產(chǎn)生輻射力，在三維空間捕獲和冷卻冷原子； 此外，捕獲過程中的低溫使原子阱的有效載荷成為可能。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，Y.Liu小組通過試驗(yàn)比較了連續(xù)光和脈沖光捕獲倉鼠的卵巢細(xì)胞和人類的精子細(xì)胞，證明了脈沖光束能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的熒光效應(yīng)[3]；Jeff Gelles 和 S.Chu小組則利用光鑷技術(shù)捕獲DNA分子,使得其轉(zhuǎn)錄和復(fù)制的效率大大提高[4]。在材料科學(xué)領(lǐng)域，Shi小組則利用光鑷技術(shù)捕獲多層碳納米管[5]，并觀察到光誘導(dǎo)銀納米粒子使得光進(jìn)一步聚集的現(xiàn)象。

光鑷技術(shù)是光與物質(zhì)相互作用的結(jié)果。影響光鑷技術(shù)的因素眾多，其中，粒子的材質(zhì)對(duì)光阱力的分布和大小起到?jīng)Q定性的作用。目前研究的大多數(shù)粒子都是介質(zhì)粒子或者蛋白質(zhì)，這是由于介質(zhì)粒子和蛋白質(zhì)的吸收系數(shù)小，較容易被捕獲。近年來，人們通過光學(xué)捕獲，捕獲了大量其他類型的微納粒子，如非共振和共振的金屬粒子[6]、半導(dǎo)體納米粒子[7]、量子點(diǎn)[8]、團(tuán)簇[9]和雜化納米粒子[10]。與此同時(shí)，被光學(xué)捕獲的微納粒子形狀也很豐富，有球形粒子、橢球形粒子和納米線等。顯然，對(duì)于不同類型和不同形狀的微納粒子，光學(xué)捕獲能力和光力分布等也各不相同，人們?cè)谕卣构忤嚰夹g(shù)使用范圍的同時(shí)也豐富了光學(xué)捕獲理論。

2 超快脈沖光束在激光光鑷技術(shù)中的運(yùn)用

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，捕獲或操控納米粒子甚至更小的粒子，將擁有廣泛的應(yīng)用前景，如組裝納米器件、生物分子的捕獲和探測，以及增強(qiáng)金屬表面的拉曼散射效應(yīng)等。當(dāng)粒子為納米級(jí)時(shí)，用連續(xù)光捕獲納米粒子，粒子所受的力也非常小，不足以克服粒子的布拉運(yùn)動(dòng)，并將其限制在勢阱中。雖然增加輸入光的功率可以提高光阱深度，捕獲更小的粒子，但這往往會(huì)對(duì)被捕獲細(xì)胞造成其他生物效應(yīng)，如損傷、毒副作用和細(xì)胞滅活等。

正是由于超快激光脈沖具有高峰值功率密度以及與物質(zhì)相互作用的超短時(shí)間尺度，新型的光學(xué)效應(yīng)更容易被激發(fā)和探測到。近年來，人們開展了相關(guān)試驗(yàn)研究。Chiang等[11]利用超快激光脈沖捕獲了2.7 nm的CdTe量子點(diǎn)，瑞利散射成像表明雙光子吸收過程增強(qiáng)了量子點(diǎn)的捕獲能力；Jiang等[12]在采用超快近紅外激光脈沖捕獲金納米粒子的過程中發(fā)現(xiàn)了新穎的“光阱劈裂”現(xiàn)象；Gu等[13]利用光學(xué)非線性內(nèi)窺鏡光鑷來直接操控納米珠子和納米棒，發(fā)現(xiàn)了在雙光子激發(fā)導(dǎo)致的雪球效應(yīng)超快激光脈沖捕獲非線性光學(xué)微粒的過程中，會(huì)產(chǎn)生新的非線性光學(xué)現(xiàn)象、效應(yīng)和應(yīng)用。

3 瑞利粒子光學(xué)力的理論計(jì)算

基于瑞利粒子模型，給出了超快脈沖光束與瑞利粒子相互作用的理論計(jì)算模型。對(duì)于時(shí)諧電磁場，電場Ec(r,t)=Ec0exp(-iωt)，磁場Bc(r,t)=Bc0exp(-iωt)。把微小粒子看成是電偶極矩，粒子的偶極矩p(r,t)=αE=p0exp(-iωt)。對(duì)于高斯型脈

沖光束來說，電場為：

1.4.3 血脂相關(guān)指標(biāo) 比較兩組治療前后總膽固醇（TC）、三酰甘油（TG）、高密度脂蛋白膽固醇（HDL‐C）、低密度脂蛋白膽固醇（LDL‐C）的變化，以上血脂相關(guān)指標(biāo)使用酶聯(lián)免疫法（ELISA）測定。

(1)

磁場為：

(2)

式中：ω0為脈沖的中心頻率；T0為脈寬。

脈寬與τ的關(guān)系為：

粒子所受力的平均值為[30]：

(3)

式中：c為光速;*為共軛。

為了表示超快脈沖光束與連續(xù)光束在計(jì)算光力時(shí)的不同，給出了輸入光為連續(xù)光時(shí)的光力表達(dá)式。對(duì)于連續(xù)光而言，式(3)可化簡為：

(4)

對(duì)于高斯型脈沖光而言，式(4)可化簡為：

(5)

式中：f為脈沖頻率。

輸入光為連續(xù)光和超快脈沖光束，除了光力的表達(dá)式不同以外，在相同平均輸入功率的情況下，其Ep0與Ec0也不同。從峰值功率密度角度考慮，假設(shè)平均輸入功率為P。對(duì)于連續(xù)光而言，輸入光光強(qiáng)為：

(6)

平均光功率為：

(7)

對(duì)于高斯型脈沖光而言，輸入光光強(qiáng)為：

(8)

平均光功率為：

(9)

(10)

連續(xù)光與脈沖光的峰值功率密度之比為：

(11)

由此可見，超快脈沖光束在計(jì)算粒子的受力時(shí)，必須考慮超快脈沖光束的峰值功率、脈沖頻率和脈寬。眾所周知，采用連續(xù)光捕獲微小粒子時(shí)，粒子的受力與粒子的體積成正比。當(dāng)粒子足夠小時(shí)，連續(xù)光提供的梯度力不足以捕獲粒子；而超快脈沖光束在峰值光強(qiáng)時(shí)擁有足夠大的梯度力，能夠穩(wěn)定捕獲微粒。超快脈沖光束能夠在一瞬間捕獲足夠小的粒子，超高的重復(fù)頻率則可以保證粒子被重復(fù)捕獲。從宏觀上看，在相同輸入光功率的情況下，超快脈沖光束比連續(xù)光束在捕獲微小粒子上更具優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

正是由于超快激光具有高峰值功率以及與物質(zhì)作用的超短時(shí)間尺度等優(yōu)點(diǎn)，超快脈沖光束在激光光鑷技術(shù)中具有很大的優(yōu)勢。本文闡述了近年來光鑷技術(shù)的發(fā)展情況，著重介紹了超快脈沖光束在激光光鑷技術(shù)中的應(yīng)用，并結(jié)合瑞麗粒子模型，給出了理論計(jì)算方法。通過比較超快脈沖光與連續(xù)光的表達(dá)式，可以明顯看出超快脈沖光束在捕獲微小粒子上的優(yōu)勢。該研究為更好地發(fā)展脈沖光束的光鑷技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。