超快脉冲光束在激光光镊技术中的应用

王 军，李 政，陈 铄，朱 州，李何良

(1.上海市质量监督检验技术研究院，上海 201114;2.上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

光镊技术又称光学捕获与光学微操控技术，是一种利用强会聚激光光束产生的势阱来捕获和操控微米、纳米甚至原子级别粒子的技术[1-2]。光镊技术最大的优势在于对微粒的非接触式操控,避免了微粒的机械损伤。由于其独特的操控特性,光镊技术在激光学、化学材料学、生物分子学等学科领域有着广泛的应用。

随着激光技术的发展，光镊技术取得了许多重要进展。早期的光镊技术只能捕获微米量级的粒子，操纵功能非常有限，因此，捕获纳米粒子或更小的粒子是光镊技术发展的必然趋势。现有的光镊技术大多采用连续激光源，其激发功率通常在毫瓦到瓦量级之间。近年来，人们采用低功率、高重复频率的超快激光脉冲成功捕获微纳粒子，可以获得与连续激光同等的捕获效率，且有作用于生物组织时几乎不伤及周围区域的优点。因此，采用超快激光脉冲光镊来操控纳米粒子，可在不破坏被捕获纳米粒子的前提下，精确地控制能量大小、空间位置和捕获时间，并可同时研究粒子的捕获动力学过程。

本文首先介绍了光镊技术的原理及研究进展，并在此基础上进一步介绍了超快脉冲光束在光镊技术中的应用，最后计算了超快脉冲光束作用于瑞利粒子的光学力。

1 光镊技术原理及研究进展

光镊技术的原理实际上是能量传递的过程。光束在传播过程中具有能量，当光波遇到微小粒子时，可以把光束看作是具有能量和动量的粒子流。光除了可以将能量以热量的形式传递给物质以外，也能将动量以力的形式传递给物质。对于微粒而言，粒子的运动状态发生变化，相当于受到了外力的作用。实际上，需要根据粒子大小与波长对比建立光镊理论模型。一般而言，电磁理论可适用于任意尺寸的粒子，但是其计算过程复杂，不能直接、客观地得出结论。对于较大粒子而言(粒子尺寸远大于波长)，运用宏观的动力学可求解粒子的受力情况。光摄技术原理如图1所示。

图1 光镊技术原理图

但是在粒子尺寸远小于波长的情况下，必须基于瑞丽粒子极化理论来计算粒子的受力情况。目前，光镊技术着重于捕获微小粒子，因此，瑞丽粒子极化理论是目前使用较为广泛的一种研究粒子受力情况的方法。根据该理论描述，光力可分成两部分：一是能够提供粒子受力平衡点的梯度力；二是正比于波印廷矢量轨道部分的辐射力，可破坏光学捕获、推动粒子远离焦点。除此之外，粒子还受到光波热量的影响，进行一定的布朗运动。为了稳定地捕获和操控粒子，光束提供的梯度力要远大于辐射力，并且可以克服粒子的布朗运动，防止粒子在势阱中的逃逸[1]。通过合理地选取粒子及光束，光镊技术可以在三维空间任意捕获和操控粒子，例如旋转、拉升、筛选粒子等。光子经过双折射微粒后，光子角动量的变化能传递给微粒产生转动，实现在微观尺度上操控粒子，进而深入研究光子的自旋-轨道角动量的守恒和转换等光的本质问题。

光镊技术由于其非接触式的操控方式，被广泛应用于各个领域。如在原子物理领域， S.Chu小组[2]利用两束相向的激光产生辐射力，在三维空间捕获和冷却冷原子； 此外，捕获过程中的低温使原子阱的有效载荷成为可能。在生物医学领域，Y.Liu小组通过试验比较了连续光和脉冲光捕获仓鼠的卵巢细胞和人类的精子细胞，证明了脉冲光束能够产生更强的荧光效应[3]；Jeff Gelles 和 S.Chu小组则利用光镊技术捕获DNA分子,使得其转录和复制的效率大大提高[4]。在材料科学领域，Shi小组则利用光镊技术捕获多层碳纳米管[5]，并观察到光诱导银纳米粒子使得光进一步聚集的现象。

光镊技术是光与物质相互作用的结果。影响光镊技术的因素众多，其中，粒子的材质对光阱力的分布和大小起到决定性的作用。目前研究的大多数粒子都是介质粒子或者蛋白质，这是由于介质粒子和蛋白质的吸收系数小，较容易被捕获。近年来，人们通过光学捕获，捕获了大量其他类型的微纳粒子，如非共振和共振的金属粒子[6]、半导体纳米粒子[7]、量子点[8]、团簇[9]和杂化纳米粒子[10]。与此同时，被光学捕获的微纳粒子形状也很丰富，有球形粒子、椭球形粒子和纳米线等。显然，对于不同类型和不同形状的微纳粒子，光学捕获能力和光力分布等也各不相同，人们在拓展光镊技术使用范围的同时也丰富了光学捕获理论。

2 超快脉冲光束在激光光镊技术中的运用

随着激光技术的发展，捕获或操控纳米粒子甚至更小的粒子，将拥有广泛的应用前景，如组装纳米器件、生物分子的捕获和探测，以及增强金属表面的拉曼散射效应等。当粒子为纳米级时，用连续光捕获纳米粒子，粒子所受的力也非常小，不足以克服粒子的布拉运动，并将其限制在势阱中。虽然增加输入光的功率可以提高光阱深度，捕获更小的粒子，但这往往会对被捕获细胞造成其他生物效应，如损伤、毒副作用和细胞灭活等。

正是由于超快激光脉冲具有高峰值功率密度以及与物质相互作用的超短时间尺度，新型的光学效应更容易被激发和探测到。近年来，人们开展了相关试验研究。Chiang等[11]利用超快激光脉冲捕获了2.7 nm的CdTe量子点，瑞利散射成像表明双光子吸收过程增强了量子点的捕获能力；Jiang等[12]在采用超快近红外激光脉冲捕获金纳米粒子的过程中发现了新颖的“光阱劈裂”现象；Gu等[13]利用光学非线性内窥镜光镊来直接操控纳米珠子和纳米棒，发现了在双光子激发导致的雪球效应超快激光脉冲捕获非线性光学微粒的过程中，会产生新的非线性光学现象、效应和应用。

3 瑞利粒子光学力的理论计算

基于瑞利粒子模型，给出了超快脉冲光束与瑞利粒子相互作用的理论计算模型。对于时谐电磁场，电场Ec(r,t)=Ec0exp(-iωt)，磁场Bc(r,t)=Bc0exp(-iωt)。把微小粒子看成是电偶极矩，粒子的偶极矩p(r,t)=αE=p0exp(-iωt)。对于高斯型脉

冲光束来说，电场为：

1.4.3 血脂相关指标 比较两组治疗前后总胆固醇（TC）、三酰甘油（TG）、高密度脂蛋白胆固醇（HDL‐C）、低密度脂蛋白胆固醇（LDL‐C）的变化，以上血脂相关指标使用酶联免疫法（ELISA）测定。

(1)

磁场为：

(2)

式中：ω0为脉冲的中心频率；T0为脉宽。

脉宽与τ的关系为：

粒子所受力的平均值为[30]：

(3)

式中：c为光速;*为共轭。

为了表示超快脉冲光束与连续光束在计算光力时的不同，给出了输入光为连续光时的光力表达式。对于连续光而言，式(3)可化简为：

(4)

对于高斯型脉冲光而言，式(4)可化简为：

(5)

式中：f为脉冲频率。

输入光为连续光和超快脉冲光束，除了光力的表达式不同以外，在相同平均输入功率的情况下，其Ep0与Ec0也不同。从峰值功率密度角度考虑，假设平均输入功率为P。对于连续光而言，输入光光强为：

(6)

平均光功率为：

(7)

对于高斯型脉冲光而言，输入光光强为：

(8)

平均光功率为：

(9)

(10)

连续光与脉冲光的峰值功率密度之比为：

(11)

由此可见，超快脉冲光束在计算粒子的受力时，必须考虑超快脉冲光束的峰值功率、脉冲频率和脉宽。众所周知，采用连续光捕获微小粒子时，粒子的受力与粒子的体积成正比。当粒子足够小时，连续光提供的梯度力不足以捕获粒子；而超快脉冲光束在峰值光强时拥有足够大的梯度力，能够稳定捕获微粒。超快脉冲光束能够在一瞬间捕获足够小的粒子，超高的重复频率则可以保证粒子被重复捕获。从宏观上看，在相同输入光功率的情况下，超快脉冲光束比连续光束在捕获微小粒子上更具优势。

4 结束语

正是由于超快激光具有高峰值功率以及与物质作用的超短时间尺度等优点，超快脉冲光束在激光光镊技术中具有很大的优势。本文阐述了近年来光镊技术的发展情况，着重介绍了超快脉冲光束在激光光镊技术中的应用，并结合瑞丽粒子模型，给出了理论计算方法。通过比较超快脉冲光与连续光的表达式，可以明显看出超快脉冲光束在捕获微小粒子上的优势。该研究为更好地发展脉冲光束的光镊技术奠定了基础。