光镊 Optical tweezers

2022-11-03 13:12:52 浏览:304

定义

用激光束捕获和移动粒子的布置。

光镊是利用光操纵小物品的工具。 早在1970年,就已经证明激光束可用于捕获和移动小颗粒,例如水中微米大小的乳胶球。 由于各种光力,这是可能的。 在1980年代中期,AT&T贝尔实验室的Arthur Ashkin极大地推动和改进了这项技术,用激光束捕获单个原子,后来捕获单个病毒和大肠杆菌,激光束用显微镜物镜紧密聚焦到一个小点。 研究表明,细菌可以在被光镊捕获时长时间存活,甚至可以在被光镊捕获时繁殖,前提是选择合适的(中红外)激光波长(吸收很少的光)。

光学镊子施加的力(例如对细菌的影响)在绝对值上很小 - 通常不超过几皮微子 - 但仍然足够大,以防止细菌逸出并以相对较高的速度将其拉过水。

光镊也可以用作光学悬浮陷阱,其中小颗粒悬浮在空气中,重力由光力补偿。 液体中的颗粒需要更小的力。 这已被证明即使与超连续源[4]也有效,同时可以对捕获的粒子进行光谱研究。

如给定的例子所示,光镊的主要应用是微生物学。 它们可用于操纵单个细胞,例如细菌,血细胞或精子(光学辅助体外受精),以及用于单个分子的实验,例如DNA。

请注意,还有各种其他类型的光学陷阱,它们应用于原子或分子。 除了电场和磁场外,这些部分还涉及激光。

2018年诺贝尔物理学奖

2018年10月,诺贝尔物理学奖的一半授予了亚瑟·阿什金(Arthur Ashkin),以表彰他在光学镊子方面的工作,另一半则同时授予热拉尔·穆鲁(Gérard Mourou)和唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland),以表彰他们在啁啾脉冲放大方面的工作。

参考文献

[1] A. Ashkin, “Acceleration and trapping of particles by radiation pressure”, Phys. Rev. Lett. 24 (4), 156 (1970), doi:10.1103/PhysRevLett.24.156
[2] A. Ashkin and J. Dziedzic, “Optical levitation by radiation pressure”, Appl. Phys. Lett. 18, 283 (1971)
[3] A. Ashkin, “Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 4853 (1997) (review article)
[4] P. Li et al., “Manipulation and spectroscopy of a single particle by use of white-light optical tweezers”, Opt. Lett. 30 (2), 156 (2005), doi:10.1364/OL.30.000156
[5] C. Liberale et al., “Miniaturized all-fibre probe for three-dimensional optical trapping and manipulation”, Nature Photon. 2, 723 (2008), doi:10.1038/nphoton.2007.230
[6] A. N. Grigorenko et al., “Nanometric optical tweezers based on nanostructured substrates”, Nature Photon. 2, 365 (2008), doi:10.1038/nphoton.2008.78
[7] A. Samadi and N. S. Reihani, “Optimal beam diameter for optical tweezers”, Opt. Lett. 35 (10), 1494 (2010), doi:10.1364/OL.35.001494
[8] A. A. R. Neves and C. L. Cesar, “Analytical calculation of optical forces on spherical particles in optical tweezers: tutorial”, J. Opt. Soc. Am. B 36 (6), 1525 (2019), doi:10.1364/JOSAB.36.001525
[9] J. Gieseler et al., “Optical tweezers – from calibration to applications: a tutorial”, Advances in Optics and Photonics 13 (1), 74 (2021), doi:10.1364/AOP.394888

方法

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