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光镊的产生

2020.4.17

_{最近，小编被我司的工程师小姐姐安利了一部据说是英国最长寿的科幻剧《神秘博士》（Doctor
Who）。在2018年底刚刚回归的十一季中，新上任的第十三任Doctor造出了一件亮眼的神器——升级版音速起子，可谓是上可打外星人，下可开防盗门，有点无所不能的意思。}

十三姨和她的起子

而在咱们现实的物理学领域，虽然没有这样的“起子”，但却有一个了不起的“镊子”。那就是2018年诺贝尔物理学奖获得者Arthur Ashkin发明的“光镊（Optical Tweezer）”。

“光镊之父”Arthur Ashkin

“光镊之父”Arthur Ashkin早在1986年就发明了光镊，他的工作核心是利用光学梯度力进行光学捕获和操控小型介质粒子。同时，他也是许多研究的“第一人”：

第一个观察到作用于原子的光学梯度力
第一个实现激光冷却原子的“光学粘胶”
第一个观察到光对原子的捕获现象

并且，Arthur Ashkin将光学捕获技术发展到了捕获并操控活体材料，例如细菌、病毒和细胞。而将材料“夹”在一定位置的激光技术，则被称为“光镊”。

通过这项研究，Ashkin探索了细胞的内部，操控细胞的内部结构，并且奠定了发现更好地了解人体健康、疾病状态方法的基础。可以冷却并捕获原子的技术，则引领了基础科学里程碑式的进步，例如原子蒸气中玻色爱因斯坦冷凝物（Bose-Einstein condensates）的创造。

那么，这神奇的光镊要怎么“打造”呢？这时候需要登场的，就是空间光调制器（LCOS-SLM）了。

可以同时产生多个光镊的空间光调制器（LCOS-SLM）

滨松空间光调制器

滨松板级空间光调制器

如上图所示，通过SLM小小的液晶屏，就可以将一束普通高斯光编程许多个“高级镊子”，例如携带轨道角动量可以让粒子旋转起来的“涡旋光”，无衍射的“贝塞尔光”等等。由于其可编程的特性，还可以同时产生多个三维空间分布的光阱。

下面来表演一下：

对于滨松的空间光调制器来说，自带软件还专门配有“光镊模式”，可以根据用户的具体需求“量身定制”（PS.三维多焦点也是可以提供软件定制的哦~）。下面就由咱们的工程师小姐姐来为大家介绍介绍~ 点击此处，观看视频>>

可以观察光镊工作的科研级sCMOS相机

除了要“打造”出光镊，对于它的工作状态也是需要进行观测，这时候科研相机就是一个重要的“记录者”。在光镊应用中，相机有两项关键参数是需要注意的：分辨率和帧速

# 分辨率

由于光镊所操控的粒子都是细胞器级别的非常微小的粒子，所以在光学系统（显微镜）分辨率一定的情况下，相机的分辨率越高，就越能看清楚捕获微观粒子的细节。

# 帧速

“光镊是一种非接触式3D定位方法，适用于微米/纳米级别的操纵和组装等领域。在这些应用中，在高速下相对长距离操纵粒子的能力对于确定整体工艺效率和产量至关重要。”（摘自论文Fundamental Limits of Optical Tweezer Nanoparticle Manipulation Speeds）

为了保持被操控粒子的活性，光镊对微观粒子操控的速度是非常快的，因此就需要相机有足够高的帧速来捕获微观粒子的运动。可以说“高速”是光镊的核心需求。

而对于相机来说，帧速越高，意味着曝光时间越短，曝光时间短会导致相机接收到的信号弱。这样为了保证图像足够清晰，就需要相机有足够高的信噪比，也就是相机的噪声要足够小才能达到这样的高帧速。

例如在Matti Kinnunen, Adjunct Professor of University of Oulu 的例子“OPTICAL TWEEZERS: PRINCIPLES AND SELECTED APPLICATIONS”中，就使用了1000帧/秒的帧速来拍摄2.54μm的二氧化硅小球。