光學鑷子的核心是梯度聚焦的雷射束，它在目標上施加軸向力和徑向力，然後反過來通過抵抗力並努力保持在原位來響應。然後可以通過小心地控制入射光束來移動目標。圖像來源：Justin E. Molloy和Miles J. Padgett，《光，動作：光學鑷子》，《當代物理學》，2002年
如果這一切看起來有些神秘，神奇甚至令人難以置信，那麼這就是量子物理學，這是正常的反應。儘管由物理學家開發，光鑷已經成為生物學，醫學和化學領域中不可或缺的工具，用於處理從測試球到DNA字符串的微小物體。光學鑷子的詳細構造與大多數與微小粒子甚至粒子物理有關的儀器不同，在這些儀器中，隨著粒子變小，需要更大，更昂貴的設備（以超級對撞機為例）。光鑷基於既定的光輻射壓力原理，但是該過程比將一束或多束聚焦雷射束照射到物體上以捕獲或推動該過程要複雜得多。Arthur Ashkin的一篇論文介紹了邁向實用光學鑷子的第一步，他在其中描述了他和他的團隊如何通過結合使用兩個反向傳播但未聚焦的雷射束的輻射和三個方向來捕獲三維電介質。重力。在這些實驗中，他們能夠克服隨機的，熱誘發的運動（布朗運動）的影響，否則該運動會通過光輻射壓力使任何控制不堪重負，並實際上觀察到基本的誘捕效果。但是陷井與實現控制和運動不同。阿什金（Ashkin）在1986年證明，具有單個聚焦雷射束和漸變透鏡的系統可以做得更多：它可以充當可控的「鑷子」，隨意抓住和移動被捕獲的物體。從理論上講，雷射功率僅需為1毫瓦（mW），儘管實際上5至10 mW之間的光束可用於補償路徑損耗和光束缺陷-仍然是相當低的光束。通過使用麥克斯韋的電磁場方程，量子物理學原理和一些相當高級的數學可以完全解釋陷阱現象。但是，對於目標物體的尺寸大於雷射器輸出波長的情況，也可以通過射線光學器件更直觀地進行描述（請注意，在相反情況下，物體小于波長的波長是麥克斯韋的等式就是路要走）。僅將雷射照射在微小的物體上是不夠的，因為這可能會使雷射隨機移動，但不允許陷井和受控運動（大致類似於推動沒有前輪進行轉向控制的物體）。考慮聚焦在小介電球或小珠上的雷射束。珠子就像一個弱透鏡，並且在入射光穿過該物體時起作用。由於其較小的尺寸，因此固有的高數值孔徑，光被折射並會聚成具有緊密「腰部」和大梯度的光束。透明物體對光的折射導致光子動量的變化以及作用在該物體上的相應反作用力。由於光子具有動量，因此有兩個力作用在磁珠上：一個軸向散射力沿入射光的方向推動磁珠，一個徑向梯度力沿相反方向拉動磁珠。梯度力是由光線在穿過珠子時發生折射引起的，從而導致了動量的變化。由於動量是守恆的，因此動量的淨變化必須為零，因此動量必須沿相同且相反的方向從雷射束傳遞到磁珠。如果小珠偏離入射光束的軸，它將使光折射，從而使漸變力使小珠沿軸返回。由於磁珠會自陷在雷射束中，因此可以通過精確控制雷射輸出以任何尺寸移動磁珠。使用動態全息光學鑷子將26個膠體二氧化矽球的五邊形圖案轉換為圓形。（a）原始配置。（b）經過16步。（c）38個步驟後的最終配置。圖片來源：http://physics.nyu.edu/grierlab/dynamic4c/
貝爾實驗室團隊在1987年解決了一個相關的問題。對入射至關重要的入射光束的發散隨著目標磁珠的變小和數值孔徑的增加而從其中心的最大值下降得更快。通過使用具有強烈中心點和一組同心環的貝塞爾聚焦雷射束，而不是傳統（高斯）光束，可以控制衍射。從原理上講，生成貝塞爾光束非常容易：只需通過標準的錐形透鏡（稱為軸錐）照亮傳統光束即可；出售的光纖雷射器帶有精確地居中並粘貼在光纖末端的軸錐。一個完整的系統不僅僅需要雷射器和透鏡。即使這樣，建造鑷子的基本零件（雷射，特殊透鏡，光束轉向鏡，介電鏡和照相機）也可以花幾千美元購買。實驗室的學生已經做到了這一點，並為自己構建了一個設備。創新通常來自不可預見的因素。對於光學鑷子來說，這是雷射器的發展，使用錐形透鏡將雷射輸出整形為貝塞爾光束，從兩個角度深入了解基本物理原理以及處理和操縱微小顆粒和細線的需求。由計劃（如廣為人知的半導體「路線圖」和摩爾定律）所預測的線性進展（強調連續特性），收縮周期隨著電晶體密度的增加而縮小，而過去幾十年來定義了IC的這種情況將是無法預料的開發如今標準的低成本光學鑷子。一鍵上傳您公司產品及相關資料，工業匯專業客服幫您維護數據，定向推送給潛在用戶，幫您快速精準獲客。