閔長俊，袁運琪，張聿全，汪先友，張治斌，袁小聰

深圳大學納米光子學研究中心，深圳市微尺度光信息重點實驗室，微納光電子學研究院，廣東深圳 518060

光是探索世界的重要手段，人類對光的研究一直在不斷深入，從經典光學到現(xiàn)代光學，研究方向從光的自身特性逐漸擴展到光與物質的相互作用.麥克斯韋在19世紀就基于光的電磁波理論證明光不僅具有能量，而且具有動量，可對物質產生力學作用.然而，普通光源的能量密度低，不足以讓光的動量產生顯著效應.直到1960年激光器的發(fā)明才使光的動量有了用武之地，推動相關實驗研究的進展.1986年ASHKIN等[1]利用單束激光聚焦實現(xiàn)溶液中介質微球的三維捕獲，開創(chuàng)了光鑷研究的先河.光鑷是基于光與物質之間動量傳遞產生的一種對微納米尺寸顆粒捕獲和操縱的方法，具有非接觸和無損傷等優(yōu)點，對生物、物理及材料等領域研究具有重要價值[2-4].2018年ASHKIN因發(fā)明光鑷技術獲得諾貝爾物理學獎，在國際上激發(fā)了越來越多的研究興趣，并推動新型光鑷技術及其創(chuàng)新應用的出現(xiàn).本文綜述光鑷技術的最新研究進展，介紹光鑷相關經典理論模型、光鑷類型及其特點、代表性的光鑷技術應用，最后對光鑷技術及其應用的發(fā)展趨勢進行前瞻.

1 光鑷技術的理論基礎

光鑷是利用一束光實現(xiàn)對微小物體的捕獲.為了對物體產生捕獲效果，必須使光在空間中產生一個勢能最低點，形成力學勢阱.當該勢阱的勢壘大于物體動能時，物體會被穩(wěn)定束縛在勢阱中.

光鑷可以使物體在二維平面和三維空間中被捕獲.典型的光鑷三維捕獲過程如圖1(a)，一束激光經過透鏡聚焦之后，與上方焦點附近的透明介質小球發(fā)生相互作用，包括光在小球表面的反射、小球內部的折射和吸收等，使得出射光的總動量發(fā)生變化.由動量守恒定律和牛頓第二定律可知，光的總動量隨時間的變化率數(shù)值上等于小球所受到的光學力，主要包括光束對小球的推力和拉力.其中，推力主要來自于小球對光的反射和吸收，這使得光的動量傳遞給小球，從而把小球沿光的傳播方向推動，通常也被稱為輻射壓力或散射力，如圖1(a)中Fscat.拉力部分主要來自于小球對光的折射以及高強度光焦點對小球的電荷極化作用，會形成勢阱把小球拉向光場最強點(焦點)并束縛起來，其力的大小和聚焦光場的光強梯度分布有關，也被稱為梯度力，如圖1(a)中Fgrad[5].小球受光場中Fscat和Fgrad的共同作用，當Fscat

近年來，光鑷的二維捕獲因為可以應用于片上光學系統(tǒng)，受到越來越多的關注.圖1(b)為光鑷二維捕獲過程示意圖，其中，入射激光在下層介質基底和上層水溶液分界面處發(fā)生全反射，在溶液中產生光學倏逝波[6].倏逝波范圍內的顆粒，在垂直方向由于倏逝波光強迅速衰減而受到指向基底的光學梯度力，在水平方向受到沿光束傳播方向的散射力.通過合適的聚焦光束設計，可將水平方向散射力抵消，從而使顆粒主要受垂直方向梯度力的作用被捕獲在界面附近.由于倏逝波離開界面后強度迅速衰減，在溶液中垂直方向穿透深度一般小于入射光波長，因此，該光鑷技術只能在基底表面的二維平面范圍內形成顆粒捕獲，適用于顆粒的片上操縱與檢測.

圖1 光鑷捕獲示意圖

在光鑷的力學計算與分析中，可以根據(jù)尺寸大小，將捕獲的顆粒分成3類處理.第1類為尺寸遠大于入射光波長的米氏(Mie)顆粒，可以直接利用幾何光學模型，基于出射光的傳播方向變化和動量守恒定律，對顆粒所受光學力進行分析[7].第2類為尺寸遠小于光波長(一般在波長的1/10以下)的顆粒，稱為瑞利(Rayleigh)顆粒，其對光的作用滿足瑞利散射理論，可將顆粒作為電偶極子進行受力分析[8].其中，散射力主要由電偶極子對光的吸收和再輻射引起，力的大小與入射光強、環(huán)境介質折射率、顆粒半徑和顆粒折射率有關，力的方向為光束波矢方向.散射力Fscat[9]為

(1)

其中，I0為入射到顆粒上的光強；nm為顆粒周圍介質的折射率；c為真空中的光速；a為顆粒半徑；λ為入射光波長；m為顆粒與周圍介質折射率的比值.梯度力由電偶極子與光場之間的電磁場力經過時間平均得到，力的大小與顆粒位置的光強梯度成正比.梯度力Fgrad[9]為

(2)

當焦點形成的軸向梯度力與散射力平衡，同時光束截面內梯度力勢阱大于熱運動動能時，可以形成穩(wěn)定的三維捕獲.第3類為尺寸與入射光波長相近的顆粒，稱為介觀顆粒.此類顆粒通過洛倫茲-米氏散射模型[10-12]，將顆粒與光的作用作為電磁散射問題進行處理，再通過計算散射后電磁場對顆粒產生的洛倫茲力進行受力分析.具體過程首先基于麥克斯韋方程組求解顆粒散射后的電磁場分布，可采用的數(shù)值模擬方法包括時域有限差分法、有限元法、離散偶極子法及T矩陣法等[12-15]；再把計算獲得的顆粒周圍電磁場分布代入麥克斯韋應力張量矩陣，計算顆粒所受電磁場力的大小和方向.根據(jù)麥克斯韋應力張量矩陣，顆粒所受的總電磁場力[16]為

(3)

其中，〈F〉表示時間平均后的電磁場力；E為電場矢量；H為磁場強度；ε為顆粒周圍介質的介電常數(shù)；μ為顆粒周圍介質的磁導率；S面為任意包含散射顆粒的封閉曲面；n為垂直于顆粒表面小面元dS的法向單位矢量.該方法的適用性最廣，可用于計算不同形狀和材料的顆粒在電磁場中的受力情況.

此外，也采用光阱剛度標定光鑷系統(tǒng)的捕獲能力.光阱剛度定義為顆粒受到的光阱捕獲力與顆粒偏離光阱中心的距離之比.光阱剛度越大，說明在相同距離顆粒所受的光學捕獲力越強.光阱剛度也是利用光鑷進行微小力測量時所需的重要參數(shù).

2 光鑷技術的研究進展

光鑷技術在研究人員的不斷探索下展現(xiàn)出旺盛的生命力.近年來隨著光場調控技術與器件的迅速發(fā)展，新型聚焦光場的產生使得新型光鑷技術不斷涌現(xiàn)，出現(xiàn)新奇的顆粒捕獲與操控效果.以下按照產生光鑷的不同光束類型，將光鑷技術分為結構光束光鑷、多光束與全息光鑷、近場倏逝波光鑷、表面等離激元光鑷、光纖光鑷、熱電光鑷、飛秒激光光鑷及異常光學力光鑷，分別綜述其原理及代表性成果.

2.1 結構光束光鑷

不同種類的激光光束都能產生光鑷[17]，早期傳統(tǒng)光鑷技術一般采用單束激光聚焦產生，光束強度分布為高斯型，相位分布為均勻相位，偏振分布在光束截面內是均勻的(稱為標量偏振光束).產生光鑷的標量偏振光束有線偏振光、圓偏振光和混合偏振光.線偏振光由于其單一方向偏振的特點，所產生聚焦場具有一定指向性，在光鑷中可應用于納米線或多顆粒樣品的方向控制[18].圓偏振光的特點是光傳播過程中電矢量振動方向發(fā)生旋轉，所以帶有自旋角動量，在光鑷中不但可以捕獲顆粒，還可以使空間結構不均勻的顆粒產生自轉[19-20].圓偏振光在高數(shù)值孔徑物鏡的緊聚焦條件下產生自旋角動量到軌道角動量的轉化，即自旋-軌道耦合效應[21]，從而在聚焦場產生光學旋渦，使所捕獲顆粒繞著光軸產生公轉[22].混合偏振光包括部分偏振光和橢圓偏振光，可以近似看成線偏光和圓偏光的疊加，也都可以用來產生光鑷，實現(xiàn)對顆粒的捕獲.

近些年，隨著光場調控技術的發(fā)展，對光偏振和相位的調控手段更加多樣化，產生許多偏振和相位在空間上非均勻分布的光束(稱為結構光束)，包括偏振非均勻分布的矢量光束，如徑向偏振光和角向偏振光[23]；相位非均勻分布光束，如光學旋渦光束[24-25]和艾里(Airy)光束[24-25]；偏振和相位同時非均勻分布的光束，如帶有圓偏振、徑向或角向偏振的光學旋渦.這些結構光束在聚焦條件下具有新穎特性，為光鑷技術發(fā)展帶來新活力.

徑向偏振光在傳播過程中，光束截面內任意位置的電矢量振動方向都沿徑向方向，因此，光軸中心為偏振奇點，導致光軸的光強度為0，光強呈環(huán)形分布.徑向偏振光在緊聚焦條件下焦點尺寸比線偏振光和圓偏振光更小，且具有更強的軸向電場分量，其產生的光鑷捕獲瑞利型金屬顆粒的能力更強，且具有更好的軸向捕獲能力[26-28].角向偏振光與徑向偏振光在偏振方向上完全正交，其光束截面內電矢量振動均沿方位角方向，光軸中心為偏振奇點，光強為環(huán)形分布.基于角向偏振光的光鑷在緊聚焦條件下具有更高的橫向捕獲效率，如圖2(a).

光學旋渦光束的波前呈旋渦狀，這是由于其包含螺旋相位因子，并攜帶軌道角動量，其螺旋相位的分布與軌道角動量的拓撲荷數(shù)相關.基于光學旋渦的光鑷所攜帶的軌道角動量能夠傳遞給所捕獲的顆粒，從而對顆粒產生一個旋轉力矩的作用，使顆粒圍繞光軸旋轉，旋轉的速度和方向可通過軌道角動量的拓撲荷數(shù)進行調控(如圖2(b)—(d))，光束傳播方向垂直紙面向外，因此，這類光鑷也被稱為光學扳手[29-30].艾里光束由傍軸衍射方程的一個無衍射特解得來，可通過3次相位器件產生，具有彎曲軌道傳播、無衍射及自重構的特性[31].基于艾里光束的光鑷具有以下特點：① 彎曲軌道傳播特性可以操縱顆粒沿彎曲軌道移動，從而避開障礙物；② 無衍射性使光束發(fā)散變小，可在縱向保持較長的顆粒操縱范圍；③ 自重構性使顆粒散射后的光場得以恢復原狀，可用于多平面和多顆粒的捕獲和操縱.艾里光束作用下顆粒向主光瓣方向移動，因此，顆粒分布變得高度不對稱[32]，如圖2(e).

圖2 結構光束光鑷

在偏振和相位均為非均勻分布的光束中，圓偏振的光學旋渦光鑷比線偏振、徑向或角向偏振情況可提供更大的顆粒旋轉力矩[33]，同時在這種光束光鑷中不僅可以使顆粒做軌道運動，還可以使其做自旋運動[34].

由于偏振和相位調控的多樣性，研究也提出更多新穎的結構光束，將進一步增強光鑷捕獲顆粒的能力，帶來更加豐富的顆粒操控效果[35].但目前該技術受到結構光束產生器件和方法的制約，存在光束產生效率低、光束純度不高及系統(tǒng)復雜等缺點，有待進一步發(fā)展和突破.

2.2 多光束與全息光鑷

光鑷最初由單束激光聚焦產生，單光束光鑷的簡單性和穩(wěn)定性對于研究光鑷技術原理和開發(fā)新應用方向具有重要意義，往往是各類光鑷技術創(chuàng)新研究的首選.然而，單光束可調控的自由度有限，為了增加調控自由度，實現(xiàn)更復雜和多樣化的功能，逐漸發(fā)展出多光束光鑷和全息光鑷技術.

多光束光鑷有效組合多個光束形成光鑷系統(tǒng)，比單光束光鑷具有更高的操縱自由度和穩(wěn)定性.多光束的產生方法包括：① 使用二向色鏡進行多光束分解和疊加，通過偏振元件分離單個光束產生多光束[38]；② 單光束快速刷新掃描得到多個獨立光束[39]，通過液晶空間光調制器或數(shù)字微鏡器件產生多光束等.多光束光鑷系統(tǒng)既可以利用幾束光共同捕獲單個顆粒，提升單顆粒的捕獲精度和穩(wěn)定性，也可以分別捕獲和操縱多個顆粒，便于研究顆粒之間的相互作用，極大拓展了光鑷的應用范圍.多光束光鑷技術在原子物理學領域也有廣泛應用，代表之一就是利用多束激光共同作用捕獲和冷卻單個原子[40]，朱棣文就是由于在激光捕獲和冷卻原子方面的貢獻獲得1997年諾貝爾物理學獎.

全息光鑷是利用全息光學元件產生圖案化的全息光場，進而實現(xiàn)更復雜的光鑷捕獲效果.其實現(xiàn)方式通常是把設計好的全息圖加載到液晶空間光調制器或數(shù)字微鏡器件等動態(tài)調制器件，產生具有多個焦點的全息光場，實現(xiàn)多個顆粒的三維光鑷捕獲與操縱[41].基于這些全息光學元件，可以通過設計不同全息圖，對光束的振幅和相位進行調制，因此，在理論上可以產生任意形狀、大小和數(shù)量的焦點和光阱分布[42-43]，具有極高的自由度.利用全息光鑷可以捕獲多個顆粒排列成環(huán)形和陣列等任意圖案(圖3)，在多種不同顆粒分選及顆粒微結構加工等領域具有重要應用價值.

圖3 全息光鑷[42]

多光束及全息光鑷技術還可以與結構光束結合，構建更復雜的全息結構光場，如YU等[44]提出使用液晶空間光調制器產生三維艾里光束陣列的全息方法，可實現(xiàn)顆粒陣列的產生與操控，拓展了光鑷技術的應用范圍.該技術目前需要進一步提升全息光學器件的效率，使入射光分散為復雜全息光場后，仍可以形成足夠強的顆粒捕獲光阱.

2.3 近場倏逝波光鑷

在圖1(b)所示的光鑷二維捕獲中，通過全內反射方法可以在界面近場范圍內產生光學倏逝波，倏逝波強度在遠離界面的方向迅速衰減，因此，在垂直于界面方向有很大的光強梯度變化，從而產生很強的光學梯度力用于顆粒捕獲，這就是近場倏逝波光鑷技術的原理.

近場倏逝波光鑷的結構主要有全反射結構和波導結構.其中，全反射結構根據(jù)光源入射方式不同又可以分為棱鏡全內反射法和聚焦全反射法.這兩種方法的原理近似，都是利用大角度入射光從光密介質進入光疏介質時發(fā)生全內反射，在反射界面附近產生光學倏逝場.兩者區(qū)別在于棱鏡全內反射法一般用兩束光從左右兩側分別斜入射三角形棱鏡(如圖4(a))，在棱鏡上表面處產生縱倏逝場干涉條紋[45]，從而抵消水平方向的散射力(圖1(b))，增強垂直方向的梯度力，最終用于顆粒的二維捕獲，如圖4(b)；聚焦全反射法通過高數(shù)值孔徑的物鏡聚焦入射光束，同時在物鏡前遮擋入射光中心部分來消除小于全內反射角的入射光，只保留大于全內反射角的入射光在界面形成聚焦的倏逝場，并利用倏逝場焦點捕獲顆粒[46-48].

波導結構的近場倏逝波光鑷利用光在波導內傳播時，在波導界面反射產生倏逝波的特性，將顆粒捕獲在波導表面附近，并使顆粒沿波導進行定向移動[49].2000年NG等[50]發(fā)現(xiàn)半徑為10 nm的金納米顆粒可以被捕獲在橫向溝道波導上，并以最高4 mm/s的速度沿波導推進，其實驗裝置示意圖如圖4(c).顆粒在捕獲后的移動速度可通過調節(jié)激光功率、波導寬度及激光光束TM/TE偏振態(tài)等進行調控，如圖4(d).納米線波導及光子晶體波導等，均可產生用于近場光鑷捕獲的倏逝波，因此，極大豐富了波導型光鑷的設計和調控自由度.

圖4 近場倏逝波光鑷

近場倏逝波光鑷為二維平面內或片上微納結構中的顆粒捕獲和操控提供重要手段，在片上信號調制、納米結構搭建及顆粒傳感芯片等方面具有重要應用前景.目前該技術對顆粒的操縱手段和動態(tài)調控功能還不夠豐富，需要進一步合理設計入射光源參數(shù)和片上波導器件，實現(xiàn)更加多樣和動態(tài)化的片上光鑷操控效果.

2.4 表面等離激元光鑷

表面等離激元(surface plasmon)是金屬表面自由電子與入射光子相互耦合與集體振蕩產生的一種僅在金屬表面?zhèn)鞑サ碾姶挪Ｊ?，其強度沿遠離金屬表面方向呈指數(shù)衰減.與介質表面倏逝波相比，表面等離激元雖然也是一種倏逝波，但其在金屬表面的近場局域性更強，具有更高的表面電磁場增強因子和垂直方向電場梯度.因此，表面等離激元光鑷可以顯著提高倏逝場產生的光學梯度力，相比近場倏逝波光鑷具有更強的捕獲能力.表面等離激元還有突破傳統(tǒng)光學衍射極限的能力，可以產生納米尺寸的電磁場焦點，對于直接捕獲生物分子等納米尺度樣品具有獨特優(yōu)勢.

按照激發(fā)方式不同，表面等離激元光鑷可分為結構型和全光調控型.由于不同的金屬納米結構可以激發(fā)出不同的表面等離激元光場分布，通過設計合適的金屬納米結構可將光場能量局限在遠小于衍射極限的區(qū)域內形成電磁場熱點，提供極大的光學梯度力，同時可以獲得納米尺度的顆粒捕獲精度，從而形成結構型表面等離激元光鑷.2007年，RIGHINI等[51]最早提出表面等離激元光鑷，就是基于玻璃表面的金屬圓盤陣列結構，在每個圓盤上激發(fā)表面等離激元光場產生梯度力，捕獲溶液中的聚苯乙烯微球排成特定圖案，如圖5(a).得益于聚焦離子束刻蝕和電子束曝光等微納加工技術的發(fā)展，金屬納米結構中的表面等離激元光場特性得到深入研究，推動了結構型表面等離激元光鑷技術的發(fā)展.利用金屬納米天線結構、Bowtie結構及金字塔結構等，產生的多種不同功能的結構型表面等離激元光鑷，可應用于納米顆粒分選和DNA檢測等領域[52-54].

圖5 表面等離激元光鑷

結構型表面等離激元光鑷雖然具有很高的捕獲精度，但對金屬微納結構的加工精度要求較高，且固定結構無法對表面等離激元光場進行動態(tài)調控，因此，不能對捕獲樣品實現(xiàn)動態(tài)操控效果.全光調控型表面等離激元光鑷為這個問題提供解決方案[26].全光調控型表面等離激元光鑷利用高數(shù)值孔徑顯微物鏡將入射激光聚焦到單層納米金屬膜底部，使其入射角范圍內存在某一角度滿足表面等離激元共振激發(fā)條件，從而在金屬膜上激發(fā)表面等離激元并聚焦形成電磁場焦點，提供梯度力實現(xiàn)對顆粒的捕獲.該光鑷系統(tǒng)基于顯微系統(tǒng)激發(fā)，在單層金屬膜上無需加工任何結構，可通過對入射光束的相位、振幅及偏振態(tài)進行動態(tài)調控，實現(xiàn)表面等離激元光場的動態(tài)操縱以及捕獲顆粒的移動或旋轉等多種動態(tài)效果[27, 55-56].

2013年，閔長俊等[26]首先提出并驗證了全光調控的聚焦表面等離激元光鑷，實現(xiàn)對幾十納米到幾微米尺寸金屬顆粒的穩(wěn)定捕獲，解決了傳統(tǒng)光鑷難以捕獲介觀尺寸金屬顆粒的難題，如圖5(b).金屬顆粒由于高散射和高吸收特性，難以被普通激光光鑷捕獲，但是聚焦表面等離激元光鑷技術在捕獲和操縱金屬顆粒方面具有明顯優(yōu)勢，在表面增強拉曼散射(surface enhanced Raman scattering, SERS)光譜、化學催化及微細加工方面具有重要應用前景.

在聚焦表面等離激元光鑷研究基礎上，張聿全等[57]通過調控入射光的偏振和相位參量，不僅可以捕獲納米球、納米線等多種顆粒樣品，還能進一步實現(xiàn)顆粒動態(tài)操控的效果.研究將入射光相位變?yōu)槁菪辔?，通過調節(jié)入射光的軌道角動量控制顆粒旋轉的速度和方向，如圖5(c).研究還通過改變入射光偏振態(tài)產生表面等離激元雙焦點，實現(xiàn)對金屬納米線和半導體納米線等樣品的穩(wěn)定捕獲與旋轉角度操縱[58]，并應用于搭建金屬膜上的納米線基結構，如圖5(d).研究結果有望在光電功能芯片和器件(如納米邏輯門電路和納米激光器)的構建方面得到重要應用.

作為一種具有納米量級捕獲精度的光鑷技術，表面等離激元光鑷可用于精確捕獲與操縱DNA及納米顆粒等納米尺寸樣品.表面等離激元的局域電磁場增強效應可對所捕獲樣品的散射和光譜信號進行放大，有利于樣品識別和傳感檢測，可應用于生物傳感、分子檢測及顆粒分選領域[59].表面等離激元光鑷技術的進一步發(fā)展將為納米光電子學、納米生物學和醫(yī)藥學的研究與發(fā)展帶來深遠影響.目前，該技術最大的難點在于金屬的高吸收損耗特性，不僅限制了表面等離激元的傳播和光鑷的操控范圍，產生的熱效應也影響了顆粒捕獲的穩(wěn)定性.如何克服這些缺點，實現(xiàn)大范圍和高精度的納米顆粒操縱，將是該技術未來的重要研究內容.

2.5 光纖光鑷

光纖也可應用于光鑷領域，具有結構簡單、小型化、可彎曲及成本低的優(yōu)點.由于光纖的模場較小，使用過程中僅需將激光耦合到特制光纖內就能形成光鑷系統(tǒng)，擺脫了顯微鏡大體積聚焦系統(tǒng)的限制，在顆粒捕獲操縱方面更靈活，適用范圍更廣泛.

根據(jù)不同的光纖結構，光纖光鑷可分為基于平端面光纖的雙光纖光鑷、基于半球形自透鏡端面的雙光纖或多光纖光鑷、拋物線形單光纖光鑷及大錐角形單光纖光鑷等[60].這些結構型光纖可以通過拋光[61]、化學刻蝕[62]、高分辨率微加工[63]及熱拉伸[64]等方法制造.通過使用不同配置和結構的光纖，可以實現(xiàn)高靈活性、高精度及高度一體化的光鑷操縱方式[65].2008年，YUAN等[66]利用雙芯錐形光纖光鑷捕獲并旋轉橢圓形酵母細胞，通過改變兩路光束的功率比就可以控制酵母細菌的方向，圖6(a)為將酵母菌捕獲在光纖端點的圖像.2016年，LI等[67]提出一種固定組裝平行光纖陣列的方法，可用于捕獲和檢測具有高通量、高分辨率及高選擇性的納米顆粒和細胞.實驗具體方法基于固定直徑的光纖探針陣列，利用裝配技術將一組聚苯乙烯微球固定在光纖探針表面形成微透鏡陣列，如圖6(b)—(d).由于微球對光的聚焦作用，該方法需要的激光器功率比常規(guī)情況低1～2個數(shù)量級，同時降低了熱效應對光鑷捕獲和操縱的影響，可實現(xiàn)微結構組裝、加工、單細胞分析及光學分選等功能.

圖6 光纖光鑷

光纖光鑷還可以通過在光纖端面加工微納結構，產生結構光場或表面等離激元，從而與結構光束光鑷和表面等離激元光鑷結合[68]，實現(xiàn)更強大的顆粒操縱功能.目前光纖對出射光場的調控功能有限，除了產生焦點捕獲顆粒，其他動態(tài)操縱功能還很少能實現(xiàn)，所以需要進一步發(fā)展光纖出射光場的調控技術，以推動光纖光鑷技術的進步.

2.6 熱電光鑷

由于光熱效應會引起溶液中的熱對流和熱擴散，加大顆粒的布朗運動，因此，光熱效應會阻礙光鑷捕獲過程中的顆粒捕獲.但特殊條件下的光熱效應可對捕獲過程有利，實驗已經證明通過在介質中產生能夠將納米顆粒移動到捕獲位置的電熱質流，有助于光鑷捕獲，但在這種動態(tài)溫度場中的顆粒仍會頻繁產生較大的位置波動[69].因此，基于光熱效應的高精度和高穩(wěn)定性光鑷系統(tǒng)仍難以實現(xiàn).

2017年LIN等[70]提出一種新型熱電光鑷技術，可通過光熱效應穩(wěn)定地捕獲顆粒，其原理是通過金膜的光熱效應產生熱梯度場，導致溶液中正負離子移動，電荷作用共同提供熱電場，最終通過電荷力把帶正電的顆粒穩(wěn)定捕獲在溫度最高區(qū)域[71]，如圖7(a)—(f).該團隊隨后使用飛秒激光產生熱電光鑷，進一步提高了捕獲的穩(wěn)定性[72]；與光纖結合開發(fā)光熱電光纖光鑷，如圖7(g)，將熱電光鑷推廣到更多領域[73]；還對復雜體系中的熱電光鑷原理進行詳細的闡述[74]，如圖7(h).

圖7 熱電光鑷

熱電光鑷由于需要納米金屬膜產生熱梯度場，最終顆粒捕獲在金屬膜表面，也屬于二維光鑷技術.相比倏逝波光鑷及表面等離激元光鑷等二維光鑷技術，熱電光鑷因存在熱電場，在二維平面內的捕獲范圍可達半徑5～10 μm的區(qū)域，同時在顆粒捕獲穩(wěn)定性上具有更大優(yōu)勢，其光阱剛度比普通光鑷高2～3個數(shù)量級，在微納結構組裝和顆粒打印領域具有重要應用前景.熱電光鑷需要較低的入射光功率(幾mW)，若入射光功率太高，反而會影響顆粒捕獲的穩(wěn)定性，因此，無法用于納米金屬顆粒局域場增強.如何突破入射功率的限制，仍需要進一步研究探索.

2.7 飛秒激光光鑷

飛秒激光具有超短脈沖寬度和超高瞬時功率的特點，利用飛秒激光作為光鑷系統(tǒng)的光源可提供更高的光學力，降低光鑷捕獲所需的平均功率，同時也可以明顯增強所捕獲樣品的非線性光學效應，提升光鑷技術的多樣性[75].

2012年，ROXWORTHY等[76]在蝶形金屬納米天線陣列的表面等離激元光鑷基礎上，采用飛秒激光作為輸入光源來增強瑞利和米氏顆粒的捕獲，與連續(xù)激光光鑷相比，光阱剛度提升2倍.2015年，SHAKHOV等[77]提出一種使用飛秒光鑷捕獲介質微球進行納米圖案刻寫的新方法，通過使用捕獲的微球作為微透鏡將光束匯聚，在短時間(約45 μs)內產生較大光學力(最高達0.1 nN)，以克服顆粒與基底表面之間的黏合作用，最終達到130 nm的刻寫精度.

在飛秒脈沖高峰值功率作用下，某些顆粒樣品(如金屬納米顆粒)的非線性光學效應得到很大增強，出現(xiàn)一些特殊的光鑷捕獲結果[78-79].2010 年，降雨強等[80]報道線偏振飛秒激光捕獲金納米顆粒時出現(xiàn)的光阱劈裂現(xiàn)象，即在飛秒激光與金納米顆粒的非線性作用下，連續(xù)激光下只能捕獲單個顆粒的光學勢阱會一分為二，同時捕獲兩個顆粒.在此基礎上，2018年，張聿全等[81]進一步研究飛秒矢量光束聚焦光場對金屬納米顆粒的非線性力學效應，并利用單個矢量偏振飛秒光束產生多個非線性光學勢阱，實現(xiàn)對金納米顆粒的多重穩(wěn)定捕獲，如圖8.結果表明，對于電場強度敏感的可極化納米結構樣品(如金屬、半導體結構及原子等)，其非線性捕獲結果可通過改變入射光的偏振狀態(tài)和強度進行靈活調控.該工作揭示并驗證了線性與非線性條件下，納米顆粒在光場中受力的物理機制，為光鑷技術研究由線性光學跨入非線性光學領域，產生更多非線性光學操控技術奠定基礎.由于非線性光學效應的復雜性，飛秒光鑷中光與物質非線性相互作用的一些物理機制仍不明確，有待進一步探索.

圖8 金納米顆粒在多種飛秒矢量光束聚焦條件下的非線性捕獲[81]

2.8 異常光學力光鑷

近年來部分研究集中在由特殊光學效應引起的、與傳統(tǒng)光鑷中顆粒受力不同的異常光學力效應及相關光鑷技術上，這里統(tǒng)稱為異常光學力光鑷，如光學拉力、負折射光學力及自旋-軌道耦合橫向光學力光鑷等.

通常大尺寸不透明顆粒(如金屬顆粒)主要受到沿入射光傳播方向的輻射壓力作用進行移動.通過調節(jié)周圍顆粒對目標顆粒的散射，使目標顆粒的受力與光傳播方向相反，或通過設計光束使目標顆粒前向散射強度大于后向散射，從而產生反方向的散射力，如圖9(a)和圖9(b)[82].在這些情況下顆粒不會被推走，而是會被拉向光源方向，所以這類顆粒受力被稱為光學拉力[82-83].

在負折射材料中折射光束會沿負方向傳播，所產生的光學力也會沿負折射的方向.當激光在水和金屬光子晶體結構界面處發(fā)生折射時，可在結構中激發(fā)表面等離激元布洛赫模式產生負折射效果，使光沿負折射方向傳播，并推動顆粒沿負折射方向移動，如圖9(c)[84].

圖9 異常光學力光鑷

自旋-軌道耦合效應產生的橫向光學力如圖9(d)[85].當入射光為左旋圓偏振光帶有自旋角動量，金屬表面的顆粒會因為散射而產生光子自旋角動量到軌道角動量的轉化，根據(jù)角動量守恒定律，在金屬表面產生向左側橫向傳播的表面等離激元波，從而對顆粒產生反方向(指向右側)的橫向作用力.雖然此時入射光和顆粒均為圓對稱的，但是金屬表面的存在破壞了整個系統(tǒng)的對稱性，使自旋-軌道耦合僅能產生單向傳播的表面波，從而對顆粒產生橫行的反沖力.該效應對介質波導表面的顆粒同樣有效，可通過自旋-軌道耦合在介質波導內產生單向傳播的波導模式，并對顆粒產生反方向作用力.由于光子自旋-軌道耦合需要滿足動量守恒，因此，可通過改變入射光的偏振手性來調控所產生表面波或波導模式的傳播方向、以及顆粒所受橫向力的方向[85-87].這種橫向力的產生不需要光束聚焦，因此，可以作用于大范圍內的所有顆粒，在手性顆粒分選等領域有重要應用前景.

異常光學力的研究豐富了光鑷的操控手段，也加深對新穎光學效應背后物理機制的理解.目前對異常光學力光鑷的研究還處于物理探索方面，如何基于異常光學力產生新應用，還需要進一步深入研究.

3 光鑷技術的應用

光鑷技術在科學研究及生產生活等多個領域已得到重要應用.以下介紹光鑷技術代表性的應用方向，包括生物細胞及大分子操縱、表面增強拉曼光譜檢測、光鑷打印、光鑷三維顯示及光鑷驅動微型發(fā)動機.

3.1 生物細胞及大分子操縱

生物醫(yī)學領域是光鑷技術最重要的應用方向之一.由于光鑷可捕獲和操控的樣品尺寸在納米到微米量級，與生物大分子和細胞的尺寸對應，光鑷已成為生物分子和細胞學研究領域的重要工具.

在細胞研究方面，紅細胞作為氧氣載體在生命活動中起著至關重要的作用，而紅細胞聚集會影響血液的流變特性，導致嚴重的血管問題.2013年，ZHONG等[88]提出使用光鑷捕獲和操縱活小鼠皮下毛細血管內的紅細胞，可用來清除堵塞的微血管，實現(xiàn)非接觸式微操作.實驗通過光鑷捕獲阻塞毛細管的紅細胞，當捕獲力大于摩擦力時，血液在毛細血管中恢復流動，使毛細血管重新充滿新鮮血液.該研究成果表明光鑷技術有望應用于血栓等疾病的治療.

光鑷技術不僅可以操縱細胞[89]，還可操縱DNA等生物大分子.由于分子尺寸太小，目前絕大部分光鑷技術不足以直接穩(wěn)定地捕獲生物分子，但可以通過一些微顆粒間接操縱分子，例如可以與生物大分子結合的微米尺寸聚苯乙烯微球.因此，在大多數(shù)單分子光鑷實驗中，這些微球被當做生物大分子的手柄系統(tǒng)，在樣品室內被光鑷捕獲并進行操作.1997年，WANG等[90]將單個DNA分子的一端通過RNA聚合酶復合物固定在蓋玻片表面，另一端連接一個微球；再用光鑷將微球捕獲并固定在一個光阱中，通過使用壓電驅動平臺將蓋玻片相對于微球移動來拉伸DNA，從而實現(xiàn)檢測DNA性質.2011年，PANG等[91]利用光鑷穩(wěn)定捕獲了蛋白質分子，并且將蛋白質展開，研究成果有望發(fā)展成為可用于單個蛋白質檢測的生物傳感器，在藥物研發(fā)及疾病和感染檢測中具有廣闊應用前景.

圖10 光鑷疏通血管[88]

3.2 表面增強拉曼光譜檢測

當一定頻率的激光照射到樣品上時，由于不同樣品中分子化學鍵的振動頻率不同，使散射光頻率與入射光不同，且散射光頻率分布具有唯一性，其光譜即為拉曼光譜.拉曼光譜可用來檢測和鑒別分子的種類，也被稱為分子的指紋譜.但是，拉曼散射信號強度僅為傳統(tǒng)瑞利散射的千分之一，難以檢測到.SERS技術利用金屬納米顆粒的局域電磁場增強特性增強樣品分子的拉曼信號，通過在樣品分子溶液中直接加入大量金屬納米顆粒，之后使用入射光照射金屬顆粒，通過顆粒周圍的局域電場增強拉曼信號.但由于金屬納米顆粒布朗運動的隨機性，拉曼增強信號存在強度不穩(wěn)定、重復性差和不可控等缺點.而金屬納米顆?？梢员槐砻娴入x激元光鑷技術捕獲和操控，因此，可以利用光鑷技術發(fā)展出信號穩(wěn)定且可動態(tài)操控的表面增強拉曼光譜檢測技術[92].

2013年，沈軍峰等[93]首次實現(xiàn)基于表面等離激元光鑷動態(tài)操控的SERS技術.研究通過聚焦表面等離激元光鑷捕獲了單個直徑為250 nm的金納米顆粒，并增強顆粒附近電磁場，實現(xiàn)Rh6G分子的動態(tài)可控 SERS檢測，拉曼信號增強因子可達到5.67×109.其原理是在緊聚焦條件下，利用徑向偏振光入射激發(fā)表面等離激元焦點，并與被捕獲的金屬顆粒之間產生很強的電磁場耦合作用，使金屬顆粒與金屬膜之間的間隙內產生超高電磁場增強效應，從而使間隙區(qū)域內的分子能夠被激發(fā)出更強的拉曼信號[94-95].2017年，張聿全等[96]利用雙束表面等離激元光鑷技術，實現(xiàn)單個半徑為100 nm金顆粒的穩(wěn)定捕獲和周圍顆粒的排斥，應用于可動態(tài)調控的單分子拉曼增強檢測.由于光鑷可以捕獲金屬顆粒并移動到指定位置，該技術可用于金屬膜表面不同位置分子的拉曼信號增強探測，甚至可以使顆粒來回掃描獲得二維平面上所有分子的高分辨率拉曼掃描成像，對于SERS光譜檢測技術發(fā)展具有重要意義.

3.3 光鑷打印

光鑷打印是光鑷技術的一個重要應用方向，其原理是通過光鑷把微納米顆粒捕獲并固化于特定位置，從而在基底上打印出由微納米顆粒組成的圖案，獲得具有一定功能的微納結構[97].光鑷打印的步驟通常是先通過光鑷捕獲和操縱單個顆粒，將顆粒移動到設計好的位置；基于光熱效應使顆粒固定在基板上；不斷重復這個過程，最終獲得設定的微納結構[98-99].

2013年，DO等[100]通過使用2種不同波長的激光控制，實現(xiàn)金納米棒的沉積和結構打印.研究首先利用一束與金納米棒共振波長不同的激光，實現(xiàn)穩(wěn)定光鑷捕獲，并移動單根金納米線到預定位置；再利用另一束激光激發(fā)金納米棒表面等離激元共振產生光熱效應，實現(xiàn)納米棒的沉積固化并形成結構.2016年，LIN等[101]提出一種氣泡光鑷打印技術.研究將激光聚焦在金屬膜的基板上，利用金屬膜的光熱效應在膠體懸浮液和金屬膜的界面處產生微氣泡.微氣泡通過馬蘭哥尼對流、表面張力、氣泡壓力和黏附力的共同作用，將其附近的膠體顆粒捕獲并固定在基板上.通過移動激光焦點位置來移動微氣泡，就可以沿移動軌跡把聚苯乙烯微球顆粒穩(wěn)定打印在基板上，得到設定圖案.

光鑷打印技術拓展了光鑷在微加工領域的應用，具有系統(tǒng)簡單和成本較低的優(yōu)勢，但其在打印精度、打印速度及顆粒材料選擇等方面還有待進一步的深入研究.

3.4 光鑷三維顯示

三維空間顯示技術在日常生產和生活方面應用廣泛，其實現(xiàn)需要2個條件：① 通過光學全息的方法在空間產生一個三維光場；② 通過散射介質(如毛玻璃和霧屏系統(tǒng))，將三維光場散射至各個方向，便于直接觀察三維光場分布.近年來，研究發(fā)現(xiàn)光鑷技術也可用于自由空間三維顯示，能夠在稀薄空氣中產生三維光學圖像，這些圖像幾乎從任何方向都是可見的.

2018年，SMALLEY等[102]提出一種光鑷捕獲散射顆粒在自由空間的三維顯示方法，產生的全彩色三維圖像具有色域大、細節(jié)細膩及表面斑點低的優(yōu)點，引起廣泛研究關注.其工作原理是首先在近乎不可見(λ=405 nm)的光阱中由斜像散和球差結合形成聚焦光鑷捕獲點，在自由空間捕獲一個微米級的不透明顆粒.所捕獲的顆粒被光鑷移動到用于顯示的空間區(qū)域內，再被光鑷操控來回快速掃描.通過共線RGB激光系統(tǒng)產生全彩色三維光場圖案，照射到快速掃描的顆粒區(qū)域，由于顆粒對光場沿各方向的散射及顆?？焖賿呙栊纬傻娜搜垡曈X暫留效應，裸眼可以直接觀察到空間中的全彩色低散斑三維圖像，如圖11[102].

圖11 光鑷三維顯示[102]

光鑷三維顯示有望與全息光鑷技術結合，實現(xiàn)多樣的立體化成像與操控效果，在裸眼三維顯示及人機交互領域具有重要發(fā)展?jié)摿?

3.5 光鑷驅動微型發(fā)動機

近年來針對熱機的小型化需求，探索新的驅動方式為微型機械設備提供動力成為研究熱點[103-104].在微型熱機運行過程中，外部環(huán)境的改變會顯著影響微型熱機的運行.因此，可以通過光鑷產生的力學和熱學效應，操控微納米顆粒樣品形成微型熱機運動.

2014年，QUINTO-SU[105]指出在發(fā)動機動力學受布朗運動控制的環(huán)境中，基于光鑷技術，微米尺寸的熱機可以在兩個熱水域(溫度分別為22 ℃和 90 ℃)之間使用經典斯特林循環(huán)，每個循環(huán)所提取功的平均值為4.5 ×10-22J.一個完整周期由顆粒從光束的幾何焦點或束腰以下開始，此時焦點處溶液溫度低于在大氣壓P0下的飽和溫度.顆粒被光的梯度力和散射力共同作用并推向焦點.當顆粒接近幾何焦點時，光強度逐漸增加，顆粒的表面溫度和捕獲梯度力相應提高，如圖12中過程1—2.在靠近俘獲光束焦點位置時，顆粒表面溫度升高較大，且顆粒的移速足夠快，與顆粒頂部表面接觸的液體突然過熱(圖12中過程2—3)，在大氣壓P0狀態(tài)下達到臨界溫度.過熱的液體通過形成氣泡而釋放熱量，氣泡隨后在周圍液體的靜水壓力下破裂，此時微球經由氣泡膨脹驅動回到起始位置(圖12中過程3—4—1)，循環(huán)重新開始.

圖12 光鑷熱機中顆粒運動軌跡[105]

此外，光鑷可以操縱顆粒做機械運動，如光學旋渦光鑷可以作為光學扳手讓微型機械結構快速旋轉，用于液體混合攪拌、微流泵等領域.光鑷技術還可以在微觀條件下控制力學和熱學效應，在微型機械領域具有廣泛應用.

4 總結與展望

本文對光鑷技術的基本原理、代表性光鑷技術及其特色應用的相關研究進展進行系統(tǒng)綜述，分析認為近10年來光鑷技術的發(fā)展受到新光場、新結構及新效應的大力推動.① 新光場表現(xiàn)在三維捕獲所用激光從傳統(tǒng)單束激光向全息光場/結構光束/飛秒脈沖激光發(fā)展，二維捕獲光場由介質表面倏逝波向金屬表面等離激元發(fā)展，這些新型光場的加入為光鑷捕獲與操控的精度、范圍及自由度帶來顯著提升；② 新結構表現(xiàn)在光纖微球陣列、金屬納米天線及結構型探針針尖等微納米尺寸光學新結構的引入，增強了納米尺寸樣品操縱的精確性和穩(wěn)定性；③ 新效應包括引起廣泛關注的光子自旋-軌道耦合效應、負折射效應及光熱電效應等，產生新的光鑷原理，為光鑷技術帶來多樣化的操控手段.在這些新技術的發(fā)展和推動下，光鑷已在生物細胞、分子操縱、微納結構打印及三維顯示等領域展開廣泛應用.

研究認為光鑷技術未來的發(fā)展趨勢表現(xiàn)在：①更小的捕獲樣品尺度.以表面等離激元光鑷為代表，通過納米金屬結構產生幾納米尺寸的光學焦點，可以直接捕獲和操控單個DNA分子樣品，應用于單分子光譜檢測；② 對樣品物理或化學性質更強大地操縱.以飛秒激光光鑷為代表，其不僅可以捕獲和操縱顆粒，還可以進一步改變顆粒的光學非線性性質，得到不同于線性條件下的結果；③ 更多樣化的操控手段.以結構光束光鑷和異常光學力光鑷為代表，將更多樣化的光束、結構和光學效應用于光鑷操控，產生新穎的操控效果；④ 更廣泛的應用范圍.以光鑷打印和光鑷三維顯示等新應用為代表，通過光鑷強大的操控能力，尋找光鑷與其他研究領域的新結合點，拓展光鑷的應用范圍.

光鑷技術的研究不僅增進對光自身性質以及光與物質相互作用的理解，也增強了人類對光的駕馭能力及對微觀樣品的操控能力，推動光學與其他學科的交叉結合，促進大量創(chuàng)新應用的出現(xiàn).未來光鑷技術必將迎來更加蓬勃的發(fā)展.