激光鑷子

激光鑷子的出現是建立在光輻射壓原理上的。光輻射壓的提出源於開普勒和牛頓時代，當時理論認為光是一種粒子。根據牛頓力學原理，運動著的粒子束會產生壓力。在天文學中，彗星的尾巴始終背向太陽就是光具有輻射壓力的一個典型例子。

光壓的存在和麥克斯韋對輻射壓力的理論預言是到了20世紀初才在實驗室中得到實驗證明的。1910年，俄羅斯的物理學家彼得·列別傑夫（Петр Лебедев）發現了光波的壓力從而開創了使用精密的激光微控制器，即激光鑷子之路。正是這種壓力拉動電解質微粒向聚焦激光照射到的地方移動，從而可以使微小物體沿著聚焦光線移動。

1970年，美國電報電話公司貝爾實驗室的阿什金採用一束高斯激光，成功地在垂直於光的傳播方向上束縛了懸浮在水中的聚苯乙烯微粒，這一實驗將輻射壓的應用從原子量級擴展到了微米範圍，奠定了光鑷的研究基礎。之後他又設計了雙光束光學陷阱，初步實現了光鑷的雛形。

1986年，阿什金把單束激光引入高數值孔徑物鏡形成了三維光學勢阱，證明光學勢阱可以無損傷地操縱活體物質。目前（21世紀初）所說的光鑷即是這樣一種三維全光學勢阱，隨後在此領域每年都有新的技術突破。

2008年，德國公司開始批量生產相位調控器-以液晶矩陣為基礎的錐透鏡，這使得動態地改變光學圖形空間成為可能，即可以合成複雜的微結構。

2011年，俄羅斯薩拉托夫國立技術大學和Tantal科研有限公司的研究團隊提出並設計出能同時夾住並移動數量達7個微小物體的激光鑷子。

光源同時具有熱效應和輻射效應，對普通光源而言，由熱效應所產生的壓力比由單純動量交換產生的輻射壓力大幾個數量級，因此很難獲得足夠的輻射壓力。激光的出現改變了這一狀況，使光的輻射壓力得到充分體現，同時激光光束的截面分佈具有簡單確定的數學表達，便於進行理論處理，使光阱和光懸浮的研究成為可能，激光鑷子是利用激光與物質間進行動量傳遞時的力學效應形成三維光學勢阱。

當一束強匯聚的高斯光場作用於透明粒子時，如果粒子的折射率n1大於周圍介質的折射率n0，梯度力Fa, Fb 會把粒子推向光場的最強處（軸心），在光束傳播方向上光對粒子不僅會產生軸向的推力，還會產生逆軸向的拉力，從而實現捕獲。這裡光學捕獲是通過透明介質微粒與光子發生動量交換而完成的，這與帶電粒子受靜電場庫侖力或交變場的梯度力而實現的電動捕獲不同，與金屬粒子或超導體在磁場中的磁懸浮也不同。

在操作中為抓住微小物體需要精準地將聚焦位置和微小物體重合，因此為了方便抓取常使用光學部件錐透鏡（axicon），它可以把激光聚焦成非點狀，而是長約幾毫米的線形。錐透鏡的作用是能夠很好地根據形狀或者全息照片、常見的結構，在空間中形成相應的光學圖形。

在維爾·拜布林（Вил Байбурин）領導下的俄羅斯研究小組以德國相位控制器為基礎，藉助大功率的紅外激光研製出了自己的激光鑷子，該激光鑷子能夠同時抓住並移動5-7個微小物體，而其他國家的同類儀器只能抓起單個微小物體，因此該儀器將會在生物物理領域對細胞的研究中取得廣泛的應用，藉助於液晶矩陣能夠不用其他任何力學干預而控制微小物體的位置並獲得複雜的微結構。

2012年10月，美國紐約大學兩位物理學家使用光束牽引微粒朝向一個來源的技術。這項技術是基於2011年中國公布的一項研究，當時中國進行的貝塞爾光束實驗，能以同心環釋放光線。研究者並排投射兩個貝塞爾光束至一個顯微鏡，使用一個透鏡進行放大，因此實現了重疊效果。通過改變兩個光束的相對相位，這種技術誘捕微粒在一個可移動全息圖，他們稱這是“光學傳輸器”，可實現三維空間中的雙向傳輸。如果依據這種方法投影光束建造一個交互明亮和黑暗區域，通過微調明亮區域的光束光子，漂過能夠向後分散的選定微粒，碰撞該微粒，並且撞擊朝向下一個明亮區域。通過真實牽引微粒朝向它們的光束來源。

激光鑷子對粒子無損傷，具有非接觸性、作用力均勻、微米量級的精確定位，可選擇特定個體，並可在生命狀態下進行操作等特點。

特別適用於對細胞和亞細胞層次上活體的研究，如對細胞或細胞器的捕獲、分選與操縱、彎曲細胞骨架、克服布朗運動所引起的細菌旋轉等。這也正是激光鑷子得以在生物領域中被廣泛應用，並顯示出強大生命力和廣闊應用前景的原因之一。