超快脈沖光束在激光光鑷技術中的應用

王 軍，李 政，陳 鑠，朱 州，李何良

(1.上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 201114;2.上海工業自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

光鑷技術又稱光學捕獲與光學微操控技術，是一種利用強會聚激光光束產生的勢阱來捕獲和操控微米、納米甚至原子級別粒子的技術[1-2]。光鑷技術最大的優勢在于對微粒的非接觸式操控,避免了微粒的機械損傷。由于其獨特的操控特性,光鑷技術在激光學、化學材料學、生物分子學等學科領域有著廣泛的應用。

隨著激光技術的發展，光鑷技術取得了許多重要進展。早期的光鑷技術只能捕獲微米量級的粒子，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發展的必然趨勢。現有的光鑷技術大多采用連續激光源，其激發功率通常在毫瓦到瓦量級之間。近年來，人們采用低功率、高重復頻率的超快激光脈沖成功捕獲微納粒子，可以獲得與連續激光同等的捕獲效率，且有作用于生物組織時幾乎不傷及周圍區域的優點。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、空間位置和捕獲時間，并可同時研究粒子的捕獲動力學過程。

本文首先介紹了光鑷技術的原理及研究進展，并在此基礎上進一步介紹了超快脈沖光束在光鑷技術中的應用，最后計算了超快脈沖光束作用于瑞利粒子的光學力。

1 光鑷技術原理及研究進展

光鑷技術的原理實際上是能量傳遞的過程。光束在傳播過程中具有能量，當光波遇到微小粒子時，可以把光束看作是具有能量和動量的粒子流。光除了可以將能量以熱量的形式傳遞給物質以外，也能將動量以力的形式傳遞給物質。對于微粒而言，粒子的運動狀態發生變化，相當于受到了外力的作用。實際上，需要根據粒子大小與波長對比建立光鑷理論模型。一般而言，電磁理論可適用于任意尺寸的粒子，但是其計算過程復雜，不能直接、客觀地得出結論。對于較大粒子而言(粒子尺寸遠大于波長)，運用宏觀的動力學可求解粒子的受力情況。光攝技術原理如圖1所示。

圖1 光鑷技術原理圖

但是在粒子尺寸遠小于波長的情況下，必須基于瑞麗粒子極化理論來計算粒子的受力情況。目前，光鑷技術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，可破壞光學捕獲、推動粒子遠離焦點。除此之外，粒子還受到光波熱量的影響，進行一定的布朗運動。為了穩定地捕獲和操控粒子，光束提供的梯度力要遠大于輻射力，并且可以克服粒子的布朗運動，防止粒子在勢阱中的逃逸[1]。通過合理地選取粒子及光束，光鑷技術可以在三維空間任意捕獲和操控粒子，例如旋轉、拉升、篩選粒子等。光子經過雙折射微粒后，光子角動量的變化能傳遞給微粒產生轉動，實現在微觀尺度上操控粒子，進而深入研究光子的自旋-軌道角動量的守恒和轉換等光的本質問題。

光鑷技術由于其非接觸式的操控方式，被廣泛應用于各個領域。如在原子物理領域， S.Chu小組[2]利用兩束相向的激光產生輻射力，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。在生物醫學領域，Y.Liu小組通過試驗比較了連續光和脈沖光捕獲倉鼠的卵巢細胞和人類的精子細胞，證明了脈沖光束能夠產生更強的熒光效應[3]；Jeff Gelles 和 S.Chu小組則利用光鑷技術捕獲DNA分子,使得其轉錄和復制的效率大大提高[4]。在材料科學領域，Shi小組則利用光鑷技術捕獲多層碳納米管[5]，并觀察到光誘導銀納米粒子使得光進一步聚集的現象。

光鑷技術是光與物質相互作用的結果。影響光鑷技術的因素眾多，其中，粒子的材質對光阱力的分布和大小起到決定性的作用。目前研究的大多數粒子都是介質粒子或者蛋白質，這是由于介質粒子和蛋白質的吸收系數小，較容易被捕獲。近年來，人們通過光學捕獲，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]、半導體納米粒子[7]、量子點[8]、團簇[9]和雜化納米粒子[10]。與此同時，被光學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，對于不同類型和不同形狀的微納粒子，光學捕獲能力和光力分布等也各不相同，人們在拓展光鑷技術使用范圍的同時也豐富了光學捕獲理論。

2 超快脈沖光束在激光光鑷技術中的運用

隨著激光技術的發展，捕獲或操控納米粒子甚至更小的粒子，將擁有廣泛的應用前景，如組裝納米器件、生物分子的捕獲和探測，以及增強金屬表面的拉曼散射效應等。當粒子為納米級時，用連續光捕獲納米粒子，粒子所受的力也非常小，不足以克服粒子的布拉運動，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，但這往往會對被捕獲細胞造成其他生物效應，如損傷、毒副作用和細胞滅活等。

正是由于超快激光脈沖具有高峰值功率密度以及與物質相互作用的超短時間尺度，新型的光學效應更容易被激發和探測到。近年來，人們開展了相關試驗研究。Chiang等[11]利用超快激光脈沖捕獲了2.7 nm的CdTe量子點，瑞利散射成像表明雙光子吸收過程增強了量子點的捕獲能力；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現了新穎的“光阱劈裂”現象；Gu等[13]利用光學非線性內窺鏡光鑷來直接操控納米珠子和納米棒，發現了在雙光子激發導致的雪球效應超快激光脈沖捕獲非線性光學微粒的過程中，會產生新的非線性光學現象、效應和應用。

3 瑞利粒子光學力的理論計算

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算模型。對于時諧電磁場，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)。對于高斯型脈

沖光束來說，電場為：

1.4.3 血脂相關指標 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，以上血脂相關指標使用酶聯免疫法（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光束在計算光力時的不同，給出了輸入光為連續光時的光力表達式。對于連續光而言，式(3)可化簡為：

(4)

對于高斯型脈沖光而言，式(4)可化簡為：

(5)

式中：f為脈沖頻率。

輸入光為連續光和超快脈沖光束，除了光力的表達式不同以外，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，假設平均輸入功率為P。對于連續光而言，輸入光光強為：

(6)

平均光功率為：

(7)

對于高斯型脈沖光而言，輸入光光強為：

(8)

平均光功率為：

(9)

(10)

連續光與脈沖光的峰值功率密度之比為：

(11)

由此可見，超快脈沖光束在計算粒子的受力時，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，采用連續光捕獲微小粒子時，粒子的受力與粒子的體積成正比。當粒子足夠小時，連續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時擁有足夠大的梯度力，能夠穩定捕獲微粒。超快脈沖光束能夠在一瞬間捕獲足夠小的粒子，超高的重復頻率則可以保證粒子被重復捕獲。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光束在捕獲微小粒子上更具優勢。

4 結束語

正是由于超快激光具有高峰值功率以及與物質作用的超短時間尺度等優點，超快脈沖光束在激光光鑷技術中具有很大的優勢。本文闡述了近年來光鑷技術的發展情況，著重介紹了超快脈沖光束在激光光鑷技術中的應用，并結合瑞麗粒子模型，給出了理論計算方法。通過比較超快脈沖光與連續光的表達式，可以明顯看出超快脈沖光束在捕獲微小粒子上的優勢。該研究為更好地發展脈沖光束的光鑷技術奠定了基礎。