聲光偏轉(zhuǎn)器的基本原理與關(guān)鍵特點(diǎn)
當(dāng)前激光的用途十分廣泛，各種類(lèi)型的激光已經(jīng)被充分應(yīng)用于記錄、檢測(cè)/測(cè)繪/顯示/加熱/控制/通信/醫(yī)療等領(lǐng)域，滲透進(jìn)日常生活，科學(xué)研究，醫(yī)學(xué)臨床，工業(yè)生產(chǎn)，航空航天及軍事應(yīng)用的方方面面。這一切，離不開(kāi)激光調(diào)制和偏轉(zhuǎn)技術(shù)的發(fā)展。而其中，利用聲光效應(yīng)的器件起到了極大的作用。與檢流計(jì)振鏡等機(jī)械式器件相比，利用聲光效應(yīng)的器件具有無(wú)振動(dòng)，高穩(wěn)定性，無(wú)躁聲，壽命為半永久的等特點(diǎn)。與電光控制器件相比，在溫度穩(wěn)定度和消光比方面有其優(yōu)越性。為了能夠通過(guò)電路信號(hào)對(duì)激光的方向進(jìn)行控制并縮短反應(yīng)延遲，實(shí)際應(yīng)用中多使用聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）對(duì)激光方向進(jìn)行操控。
一. 基本原理
如果在透明玻璃和晶體等超聲媒質(zhì)中產(chǎn)生超聲波，會(huì)引起周期性的折射率變化而成為相位型衍射柵，如果讓激光束入射到超聲媒質(zhì)中，激光束就產(chǎn)生衍射，衍射光的強(qiáng)度和方向隨超聲波的強(qiáng)度和頻率的狀態(tài)而變化。這就是超聲波與光的相互作用，即聲光效應(yīng)。該效應(yīng)就是聲光調(diào)制器和聲光偏轉(zhuǎn)器的工作原理。
聲光效應(yīng)的衍射分為拉曼-奈斯衍射與布拉格衍射，由于拉曼-奈斯衍射效率較低，所以多采用布拉格衍射，基于布拉格衍射的聲光調(diào)制器是使零級(jí)光或一級(jí)光的強(qiáng)度隨調(diào)制信號(hào)而變化的調(diào)制器。設(shè)入射激光束的強(qiáng)度為I時(shí)，一級(jí)衍射光的強(qiáng)度I1為
I1=
如圖，除未偏轉(zhuǎn)的零級(jí)光以外只產(chǎn)生下式所示的一級(jí)衍射光 
如使Λ，即超聲波的波長(zhǎng)變化，一級(jí)衍射光的方向則發(fā)生變化。這就是聲光偏轉(zhuǎn)器的原理。設(shè)超聲波的傳播速度為v，頻率為 f 時(shí)，存在如下關(guān)系
將式 (3) 代入式 (2)，則得
超聲波的頻率從變到的光束的偏轉(zhuǎn)角為
聲光調(diào)制器與聲光偏轉(zhuǎn)器無(wú)本質(zhì)差別，超聲波的頻率保持恒定而衍射光的強(qiáng)度發(fā)生變化的則為聲光調(diào)制器；超聲波的頻率發(fā)生變化，衍射光的強(qiáng)度始終保持一定而其方向發(fā)生變化的就是聲光偏轉(zhuǎn)器。因此，用一個(gè)器件就可 以實(shí)現(xiàn)聲光調(diào)制器和聲光偏轉(zhuǎn)器的工作。實(shí)際上，當(dāng)前多數(shù)器件都是具有這兩項(xiàng)功能的器件。
二. 關(guān)鍵特性
聲光偏轉(zhuǎn)器的驅(qū)動(dòng)頻率與一級(jí)衍射光強(qiáng)度的關(guān)系一般如圖所示，
在中心頻率兩端，1級(jí)衍射光強(qiáng)度下降。其原因是換能器的頻率特性和布喇格條件的偏離所引起的。如果用1級(jí)衍射光強(qiáng)度從最大值下降到一恒定值的頻率和定義頻帶寬度
由式(4)可知，偏振角
比如，設(shè)λ = 0.515μm ，= 70MHz，= 40MHz ，v= 3.4km/s，那么=rad。該偏轉(zhuǎn)角比旋轉(zhuǎn)鏡和電流計(jì)等機(jī)械式偏轉(zhuǎn)器小2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，其頻率變化帶來(lái)的偏轉(zhuǎn)角度的變化的步進(jìn)會(huì)更加精細(xì)，例如超聲頻率的分辨率為1Hz的話，那么對(duì)應(yīng)可控制激光角度的分辨率就是4.54X10-3/30MHz=1.51X10-10rad=0.151nrad，如果作用在100微米的距離上，那么1Hz的位置步進(jìn)為100/30MHz=0.003nm，即1Hz對(duì)應(yīng)0.003nm，對(duì)應(yīng)0.151nrad。而同等情況下，0.1urad=100nrad則對(duì)應(yīng)2nm。0.003nm的極限分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于基于振鏡技術(shù)的2nm的步進(jìn)分辨率。因此，對(duì)于光鑷來(lái)說(shuō)AOD激光控制是進(jìn)行精細(xì)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的理想技術(shù)。
用聲光偏轉(zhuǎn)器使光偏轉(zhuǎn)時(shí)，光點(diǎn)在任意兩點(diǎn)間移動(dòng)所需的最小時(shí)間就稱為存取時(shí)間，它由橫穿光束的超聲波的傳播時(shí)間確定。即，設(shè)媒質(zhì)中的光束直徑為D、超聲波速度為v，存取時(shí)間則為
由式(8)與式(13)可知，偏轉(zhuǎn)和高分辨率存在相反的關(guān)系，在應(yīng)用聲光偏轉(zhuǎn)器中當(dāng)然應(yīng)充分考慮。目前試市場(chǎng)上已經(jīng)有切換頻率達(dá)100KHz甚至200KHz的高性能聲光偏轉(zhuǎn)器可用，其極好的平衡了在不同方面的性能表現(xiàn)和應(yīng)用需求，并在需要高精度光斑定位的激光操控與測(cè)量設(shè)備中被驗(yàn)證其優(yōu)越的性能。
光鑷技術(shù)及其主要應(yīng)用
高度聚焦的激光會(huì)在焦點(diǎn)中心形成一個(gè)勢(shì)能梯度中心，稱之為勢(shì)阱或光阱。透明的球形微粒會(huì)被光阱在三維空間中捕獲，從而進(jìn)行操控、排列與微小力的測(cè)量。此光學(xué)過(guò)程也可以用右圖中粒子的受力來(lái)簡(jiǎn)單解釋。
更復(fù)雜一點(diǎn)的情況是光折射的梯度力與光散射力以及粒子本身的重力與浮力共同平衡，并在限制粒子的布朗運(yùn)動(dòng)后實(shí)現(xiàn)3D捕獲操控。
在這一節(jié)中，我們將概述光鑷和光力在液體環(huán)境中的一些最新應(yīng)用。粒子的非接觸操縱促進(jìn)了光鑷在許多研究領(lǐng)域的應(yīng)用。在此，我們描述了光鑷在生物學(xué)、微氣泡處理、手性光學(xué)力學(xué)、納米技術(shù)、光學(xué)結(jié)合、光譜學(xué)、臨界卡西米爾力、隨機(jī)熱力學(xué)和活性物質(zhì)等方面取得進(jìn)展的一系列系統(tǒng)。
4.1 紅細(xì)胞的機(jī)械性能
光鑷在生物科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，從單分子研究到細(xì)胞生物物理學(xué)。在本節(jié)中，我們將考慮一個(gè)特別成功的應(yīng)用，即紅細(xì)胞力學(xué)和彈性性質(zhì)的研究和測(cè)定。在光鑷使用的早期，Ashkin等人證明了利用紅外激光束造成的光損傷可以捕獲紅細(xì)胞(和許多其他生物物種)。隨后的實(shí)驗(yàn)旨在測(cè)定紅細(xì)胞的機(jī)械性能，這兩種方法都采用了直接法-誘捕法，或?qū)⒐鈱W(xué)捕獲的微珠作為“手柄”，間接施加于細(xì)胞上的力。第一種方法具有設(shè)置和樣品制備簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，第二種方法中應(yīng)用的力的校準(zhǔn)更加直接。
H’enon等人在校準(zhǔn)的光學(xué)阱中使用微珠手柄拉伸細(xì)胞，試圖測(cè)定紅細(xì)胞膜的剪切模量。在天然的細(xì)胞和滲透膨脹成球形的細(xì)胞上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，這為變形幾何提供了一種代數(shù)解法。在這兩種情況下應(yīng)力低于15 pN的線性(增加力)變形細(xì)胞觀察,產(chǎn)生的剪切模量μ= 2.5±0.4μN(yùn)?m?1。在較高的外力作用下，單元進(jìn)入非線性變形狀態(tài)。后來(lái)，Dao等人在一個(gè)能夠施加高達(dá)340pN的系統(tǒng)中使用了相同的實(shí)驗(yàn)幾何。這些實(shí)驗(yàn)是輔以模擬計(jì)算,表明在較高的外加應(yīng)力觀察50%的變形,膜剪切模量可能高達(dá)μ= 11.1 μN(yùn)?m-1。
Bronkhorst等人的研究表明，光鑷可以在直接誘捕的情況下，利用三種光學(xué)誘捕器組成的直線來(lái)“折疊”紅細(xì)胞，觀察其弛豫時(shí)間。Liao等人指出，紅細(xì)胞也可以在直接捕獲的情況下被拉伸，使用一束在兩個(gè)位置之間快速跳躍的光束來(lái)抓住細(xì)胞。當(dāng)兩個(gè)光阱位置之間的距離增加時(shí)，細(xì)胞沿著連接它們的線被拉長(zhǎng)。在這項(xiàng)工作中，用一個(gè)二維模型定性地解釋了細(xì)胞的伸長(zhǎng)。之后的理論工作在雙鑷子拉伸實(shí)驗(yàn)中，準(zhǔn)確地計(jì)算了紅細(xì)胞表面滲透膨脹成球形的光應(yīng)力分布及其導(dǎo)致的變形。通過(guò)求解動(dòng)態(tài)變形紅細(xì)胞,也就是說(shuō),光形狀的變化和再分配壓力細(xì)胞變形對(duì)拉伸狀態(tài)可以確定薄膜力學(xué)性能(楊氏模量和剪切模量)與N-ethylmaleimide之前和之后的處理,會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞可變形性下降。這項(xiàng)工作進(jìn)一步完善了其天然的雙孔圓盤(pán)狀紅細(xì)胞。在預(yù)測(cè)紅細(xì)胞在光應(yīng)力作用下的變形時(shí)，必須考慮細(xì)胞的非線性和粘彈性特性。Raj等人將光鑷?yán)炫c拉曼光譜相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)紅細(xì)胞在大變形時(shí)必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變才能承受高負(fù)荷。
另一種利用光學(xué)力使細(xì)胞變形的技術(shù)是光學(xué)擔(dān)架。與光鑷使用強(qiáng)聚焦激光束不同，光拉伸器使用兩束弱發(fā)散的反向傳播光束來(lái)捕獲粒子。光應(yīng)力在被捕獲物體表面的分布導(dǎo)致沿光束傳播軸的伸長(zhǎng)。當(dāng)通過(guò)變形模型進(jìn)行補(bǔ)充時(shí)，光學(xué)拉伸器可以以高通量的方式來(lái)量化細(xì)胞的機(jī)械性能，因?yàn)榧?xì)胞通過(guò)拉伸在微通道中流動(dòng)，而不是在光鑷中單獨(dú)捕獲。在某些情況下，過(guò)度拉伸會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞形狀發(fā)生不可恢復(fù)的變化，形成所謂的“柱狀”。
紅細(xì)胞機(jī)械性能的改變與許多因素有關(guān)，病理?xiàng)l件和光學(xué)鑷子已經(jīng)被用來(lái)測(cè)試其中的幾種，包括瘧疾(惡性瘧原蟲(chóng))，糖尿病視網(wǎng)膜病和鳥(niǎo)箭絨視網(wǎng)膜病。類(lèi)似地，光鑷已經(jīng)被用于顯示藥物阿托伐他汀軟化紅細(xì)胞膜。
4.2 微氣泡
由于氣體微泡具有浮力，其折射率低于懸浮介質(zhì)，光學(xué)捕獲將面臨更艱難的挑戰(zhàn)。由于微氣泡的相對(duì)折射率較低，光學(xué)梯度力將它們從激光束的高強(qiáng)度部分擊退，因此光學(xué)捕獲需要其他的策略。一種可能性是使用Laguerre-Gaussian (LG)光束，其環(huán)形強(qiáng)度提供了氣泡橫向約束到光束暗核的條件。在垂直方向上，氣泡的位置取決于光學(xué)力和浮力之間的平衡，因此LG光束不會(huì)形成三維光阱。當(dāng)在垂直顯微鏡中實(shí)現(xiàn)時(shí)，捕獲的LG光束向下傳播，這是一種“反懸浮”的形式。三維光學(xué)捕獲需要添加第二個(gè)反向傳播的中空光束。原則上，結(jié)構(gòu)光如光瓶束也可用于微泡的三維光學(xué)捕獲。
第二種方法是使用“時(shí)間平均”光阱，它是通過(guò)掃描微泡周?chē)木劢垢咚构馐a(chǎn)生的。如果掃描頻率足夠高，也就是說(shuō)，如果光束繞著氣泡旋轉(zhuǎn)的速度比它擴(kuò)散的速度快，那么氣泡仍然會(huì)被困在旋轉(zhuǎn)軸上。這種誘捕方案是在垂直顯微鏡下實(shí)現(xiàn)的，并研究了誘捕力與誘捕光束掃描圓的氣泡半徑和半徑之間的關(guān)系和比例關(guān)系。對(duì)這種結(jié)構(gòu)的光學(xué)力的理論分析表明，在各個(gè)方向都有足夠的光梯度力對(duì)氣泡提供恢復(fù)力，因此它是一個(gè)真正的三維光學(xué)阱。事實(shí)上，軸向梯度力足以限制倒置顯微鏡光鑷中的微泡。
微氣泡也能被聲場(chǎng)捕獲。聲阱和光阱的結(jié)合在不同的長(zhǎng)度尺度上表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì):在光阱用于高分辨率的位置控制之前，聲場(chǎng)可用于遠(yuǎn)程操作。光學(xué)阱和聲學(xué)阱也相互補(bǔ)充，一旦校準(zhǔn)，光阱可以用來(lái)測(cè)量氣泡上的聲學(xué)力。這樣的系統(tǒng)可以用來(lái)表征單個(gè)微泡，特別是其聲學(xué)響應(yīng)，以減少平均的不確定性。光學(xué)捕獲微泡的進(jìn)一步應(yīng)用包括對(duì)氣泡周?chē)鷼怏w的拉曼光譜分析，測(cè)量微泡殼厚度，并在超聲輻射之前將氣泡定位在細(xì)胞附近。細(xì)胞隨后可能被微泡的振蕩和隨后的崩潰所破壞。
4.3 手性光力
手性來(lái)自于物體缺乏鏡像對(duì)稱性。一個(gè)尺狀的物體存在于左旋和右旋的版本(對(duì)映體)中，它們不能被嵌入空間內(nèi)的平移和旋轉(zhuǎn)所疊加。此外，圓偏振光具有手性，其旋向取決于電場(chǎng)對(duì)傳播軸的旋轉(zhuǎn)感。除了線性動(dòng)量外，圓偏振光也可以傳遞自旋角動(dòng)量。最近，有幾項(xiàng)研究考慮了小顆粒上的手性依賴光力，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)映體的全光分離。手性光與物體的光力學(xué)相互作用已經(jīng)在光鑷中進(jìn)行了研究，這為研究自旋角動(dòng)量向雙折射粒子的傳遞以及觀察自旋依賴光誘導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)提供了機(jī)會(huì)。近年來(lái)，超分子手性粒子的手性光學(xué)機(jī)制在膽甾相液晶(CLC)上得到了廣泛的研究。特別是，已經(jīng)合成了左手CLC固體微粒，光學(xué)捕獲，并觀察到相應(yīng)的左手環(huán)化光的手性旋轉(zhuǎn)。事實(shí)上，左旋CLC粒子表現(xiàn)為手性鏡子，只反射左旋光，同時(shí)保持其旋向。相反，右手性的光不會(huì)受到影響。由于角動(dòng)量守恒，反應(yīng)轉(zhuǎn)矩從圓極化俘獲光束傳遞到手性微粒。對(duì)于低手性體系中的微粒，必須考慮殘余雙折射對(duì)光學(xué)轉(zhuǎn)矩的額外影響，才能充分解釋俘獲束橢圓度可變時(shí)俘獲CLC微粒的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)。手性和光學(xué)阻滯屬性的組合允許更好地控制這些開(kāi)放視角來(lái)研究手性光學(xué)分類(lèi)、激光捕獲和冷卻的手性介觀粒子，基于平移和旋轉(zhuǎn)自由度的耦合,和微腔通過(guò)嵌入的手性中心微粒共振納米顆粒。
4.4 納米技術(shù)應(yīng)用
在過(guò)去的幾十年里，許多學(xué)者都在致力于將機(jī)器微型化到微觀尺度，這常常受到生物系統(tǒng)的啟發(fā)。這種小型化過(guò)程對(duì)納米技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，在這種背景下，光鑷因其非接觸的流形能力而成為半固態(tài)微納米器件的有效工具。此外，光鑷能夠應(yīng)用和檢測(cè)極小的力和力矩，具有產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)納米機(jī)器的潛力。
在納米尺度，半導(dǎo)體，金屬，和混合的膠體粒子被捕獲和操縱，為納米器件和生物分子的組裝、表征和光學(xué)控制開(kāi)辟了新令人興奮的可能性。
納米設(shè)備或微型發(fā)動(dòng)機(jī)需要?jiǎng)恿?lái)操作和控制。解決這一需求的方法是利用結(jié)構(gòu)光束，攜帶軌道和自旋角動(dòng)量(SAM和OAM)，利用全息光鑷(HOT)或類(lèi)似的技術(shù)產(chǎn)生。特別是，通過(guò)將SAM和OAM轉(zhuǎn)移到微粒上，實(shí)現(xiàn)了微羅盤(pán)儀和微泵。
另一種驅(qū)動(dòng)納米器件的方法是模擬熱機(jī)的工作原理。硅微腔內(nèi)蒸汽泡的成核已被用于實(shí)現(xiàn)幾個(gè)工作容積僅為0.6 mm3的微型熱機(jī)。此外，一種微粒子被用作光鑷的活塞，實(shí)現(xiàn)了一種由周期性產(chǎn)生的空化氣泡提供動(dòng)力的微型蒸汽機(jī)。斯特靈和卡諾循環(huán)的微觀版本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，利用光學(xué)捕獲粒子來(lái)研究它們的隨機(jī)熱力學(xué)性質(zhì)。
最近，還提出了一種由臨界溶液的密度波動(dòng)提供動(dòng)力的微小顆粒，其中，當(dāng)光被困在2.6-lutidine臨界混合物中時(shí)，一個(gè)微米大小的粒子圍繞光束旋轉(zhuǎn)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可根據(jù)光阱功率、環(huán)境溫度和混合物的臨界狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
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4.5 光學(xué)結(jié)合
光學(xué)結(jié)合描述了由于多次光學(xué)散射而產(chǎn)生的光學(xué)場(chǎng)中大量膠體粒子的自發(fā)組織。最早由Burns等人觀察到，他們通過(guò)顯示在橫向方向上存在粒子分離的離散值，并在其中形成穩(wěn)定的結(jié)合對(duì)，從而在線狀焦點(diǎn)上的一對(duì)粒子之間建立了一種光學(xué)結(jié)合相互作用。在這項(xiàng)工作之后，科學(xué)家們觀察了大量的粒子，這些粒子在許多激光束相交的橫向平面上形成的干涉圖樣中“結(jié)晶”。
通過(guò)考慮光場(chǎng)的一對(duì)偶極子，可以簡(jiǎn)單地理解光學(xué)結(jié)合相互作用?？紤]平行于激光束傳播方向的兩個(gè)偶極粒子的情況。第一偶極子散射輻射，散射場(chǎng)沿前向傳播沖擊第二偶極子，但與入射場(chǎng)相位差固定。凈效應(yīng)是修改散射力的大小方向前進(jìn),但作為兩個(gè)字段之間的相位差恒定的力不改變符號(hào),粒子都將在同一方向,第一個(gè)會(huì)趕上第二?，F(xiàn)在，如果我們考慮撞擊第一個(gè)粒子的場(chǎng)，這些是入射場(chǎng)和被第二個(gè)粒子反向散射的場(chǎng)。這些場(chǎng)之間的相位差取決于粒子的相對(duì)分離，因此粒子之間的力以符號(hào)變化的形式振蕩，周期為半個(gè)波長(zhǎng)。這導(dǎo)致了所觀察到的光學(xué)結(jié)合相互作用和穩(wěn)定的粒子間分離的存在。
光學(xué)結(jié)合可以通過(guò)大量的位置圖實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)。Burns等人最初的實(shí)驗(yàn)是利用形狀的光場(chǎng)在橫向平面上產(chǎn)生光學(xué)結(jié)合?？v向光學(xué)綁定可以通過(guò)反向傳播的自由空間光束來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如從一對(duì)光纖中出現(xiàn)的光束，或者通過(guò)反向傳播的倏逝場(chǎng)。將激光束以略大于全內(nèi)反射臨界角的角度聚焦到界面上，可產(chǎn)生倏逝場(chǎng)。當(dāng)來(lái)自該光束的輻射壓力被反向傳播光束平衡時(shí)，根據(jù)光場(chǎng)結(jié)構(gòu)、粒子大小和光學(xué)特性，會(huì)形成各種各樣的光學(xué)束縛結(jié)構(gòu)。在這樣的實(shí)驗(yàn)中，光學(xué)結(jié)合結(jié)構(gòu)中粒子的布朗運(yùn)動(dòng)，視頻跟蹤為評(píng)估光學(xué)力、結(jié)構(gòu)形式和動(dòng)力學(xué)提供了一種強(qiáng)大的技術(shù)。
另一種創(chuàng)建消失場(chǎng)的方法是使用具有適當(dāng)小尺寸的波導(dǎo)。該方案首先使用平面上的通道波導(dǎo)進(jìn)行演示，其消失的電場(chǎng)可以捕獲和驅(qū)動(dòng)微粒子。最近，一種錐形光纖方案已經(jīng)被證明可以使用單束進(jìn)行單向傳輸，并使用反向傳播光束進(jìn)行穩(wěn)定捕獲。錐形光纖由標(biāo)準(zhǔn)纖維制成，使用“熱拉”技術(shù)將纖維拉至微米或亞微米尺寸，在這種尺寸下，大部分光能被傳輸?shù)焦饫w周?chē)囊紫^(qū)域?？梢詫?duì)逐漸變細(xì)過(guò)程，施加高度控制，允許纖維的高級(jí)模態(tài)選擇性激發(fā)和對(duì)捕獲和結(jié)合的額外控制程度。
光學(xué)結(jié)合現(xiàn)象并不局限于介電粒子:銀和金的結(jié)合和金與金結(jié)合，并通過(guò)等離子體增強(qiáng)了這種結(jié)合力。它也不局限于球形粒子:棒狀粒子(碳納米管束)的結(jié)合。在這種情況下，與球形粒子類(lèi)似，預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)多種結(jié)合結(jié)構(gòu)。
4.6 光力定位、聚合和光譜學(xué)
正如已經(jīng)指出的，納米顆粒在激光束焦點(diǎn)上的行為是由梯度力和輻射壓力之間的平衡控制的。在常規(guī)的捕獲測(cè)量中，為了將納米顆粒限制在光阱中，必須將輻射壓力降至最低。然而, 許多其它有趣的應(yīng)用程序可以通過(guò)使用按壓來(lái)增強(qiáng)輻射壓力的影響。光力打印就是其中一種應(yīng)用。通過(guò)單光束捕獲和金膠體的后續(xù)定位，可以實(shí)現(xiàn)表面的全光模式。 這個(gè)過(guò)程可以通過(guò)直接利用作用在電漿納米球共振波長(zhǎng)上的強(qiáng)軸向力來(lái)改進(jìn)，這種力將電漿子推向基板。使用輻射壓力而不是捕獲力來(lái)引導(dǎo)粒子朝向基板，避免了對(duì)等離子體粒子大小的限制，等離子體粒子的捕獲必須不大于直徑約200納米。此外，通過(guò)使用空間光調(diào)制器，可以將激光束分成幾束，從而創(chuàng)建一個(gè)光學(xué)圖形，用于同時(shí)控制納米顆粒在基板上的位置。 在這種情況下，已經(jīng)證明了表面增強(qiáng)拉曼散射通過(guò)在液體環(huán)境中金納米棒(AuNRs)的光學(xué)操控，可以在玻璃襯底上生成SERS活性聚合體。事實(shí)上，由于它們非常大的消光截面，這些微粒不能被可見(jiàn)光捕獲。然而，它們可以被推到樣品室的玻璃墻上，在那里它們會(huì)撞擊并形成熱點(diǎn)，在這些熱點(diǎn)上稀釋的生物分子拉曼光譜可以被強(qiáng)烈增強(qiáng)。該方法將光力打印的巨大優(yōu)勢(shì)與直接在液體環(huán)境中進(jìn)行分子光譜檢測(cè)的能力相結(jié)合，是生物靈感研究的理想條件，已經(jīng)研究了許多生物分子。
首次測(cè)量了牛血清白蛋白(BSA)分子，其在水中的拉曼檢測(cè)限(LOD)已從10?3 M降至5×10?8 M。另一種蛋白質(zhì)，血紅蛋白的濃度低至1 pM，遠(yuǎn)低于約100 nM的SERS LOD。對(duì)苯丙氨酸等氨基酸、溶菌酶、過(guò)氧化氫酶等酶的研究結(jié)果也有報(bào)道。這種分子檢測(cè)技術(shù)也可以通過(guò)使用捕獲目標(biāo)生物分子的適配體功能化來(lái)實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)選擇性檢測(cè)。ochratoxin A是一種腎病型真菌毒素，它可能會(huì)對(duì)代表潛在公共衛(wèi)生風(fēng)險(xiǎn)的食品和葡萄酒產(chǎn)生污染，其概念驗(yàn)證結(jié)果已經(jīng)獲得。通過(guò)這種方法,毒素已經(jīng)檢測(cè)到在液體環(huán)境中濃度低至1μM。
光學(xué)定位的AuNRs特別有趣，因?yàn)樗且粋€(gè)低成本替代更復(fù)雜的石印技術(shù)。它的優(yōu)勢(shì)是,允許一個(gè)簡(jiǎn)單、快捷的方法來(lái)裝飾與不平整的金屬表面,如三維微觀的微米或者納米結(jié)構(gòu)，得到直接寫(xiě)激光雙光子光聚合(TPP)。重新實(shí)現(xiàn)混合聚合物等設(shè)備,為光譜探針和傳感器開(kāi)辟了道路。
光學(xué)定位并不局限于等離子體粒子。利用光學(xué)力對(duì)六方氮化硼(h-BN)、二硫化鉬(MoS2)和二硫化鎢(WS2)的納米進(jìn)行了操作。雖然弱吸收的氫氮化硼可以被光學(xué)捕獲，允許在液體環(huán)境中直接進(jìn)行平均薄片尺寸的全光測(cè)量，但是由于輻射壓力對(duì)梯度力的巨大貢獻(xiàn)，強(qiáng)吸收的MoS2和WS2納米薄片不能被限制在光學(xué)捕獲中。由于隨后產(chǎn)生的光學(xué)推動(dòng)效應(yīng)，這些納米片可以與BSA一起，在相對(duì)較短的時(shí)間(幾分鐘)內(nèi)，直接在液體環(huán)境中的中，在不需要任何特殊表面預(yù)處理的情況下，對(duì)普通顯微鏡載玻片進(jìn)行模式設(shè)計(jì)。可能的應(yīng)用領(lǐng)域涉及光子學(xué)、光電子學(xué)和能量存儲(chǔ)中感興趣的基于納米薄片的器件的實(shí)現(xiàn)，或范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中不同組成的納米薄片可以相互疊加。
4.7 臨界卡西米爾力
臨界卡西米爾力可以在納米科學(xué)和納米技術(shù)中的應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，因?yàn)樗鼈冏鳛闇囟鹊暮瘮?shù)，具有皮牛強(qiáng)度、納米作用范圍、精細(xì)的可調(diào)諧性等特點(diǎn)，以及對(duì)所涉及物體表面性質(zhì)的精細(xì)依存關(guān)系。 這項(xiàng)工作中，我們通過(guò)脈沖式光鑷，研究了臨界Casimir力對(duì)分散在近臨界二元液體溶劑中的一對(duì)膠體粒子的自由動(dòng)力學(xué)的影響。特別重要的是，我們測(cè)量了兩個(gè)膠體之間距離的時(shí)間演化，以確定它們的相對(duì)擴(kuò)散和漂移速度。 此外，我們還展示了臨界Casimir力如何通過(guò)研究所謂的首次通過(guò)時(shí)間（即粒子第一次達(dá)到某一分離所需的時(shí)間）的分布的溫度依賴性來(lái)改變這種雙膠體系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 這些數(shù)據(jù)與Monte Carlo模擬和Langevin動(dòng)力學(xué)的理論結(jié)果吻合較好。
4.8 隨機(jī)熱力學(xué)
光鑷可以作為一個(gè)非常強(qiáng)大的工具來(lái)揭示和表征微觀和納米系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)特性。 這個(gè)領(lǐng)域中布朗噪聲和熱波動(dòng)通過(guò)引入隨機(jī)性起著至關(guān)重要的作用。 特別是，光學(xué)捕獲粒子的動(dòng)力學(xué)是由確定性光學(xué)力場(chǎng)與布朗運(yùn)動(dòng)之間的相互作用引起的，這引入了一個(gè)定義良好的噪聲背景。 因此，光學(xué)捕獲粒子可以作為探針來(lái)研究統(tǒng)計(jì)物理現(xiàn)象，其動(dòng)力學(xué)是由隨機(jī)和確定性的力量驅(qū)動(dòng)的。在過(guò)去的二十年里，光鑷一直在納米熱動(dòng)力學(xué)的發(fā)展中發(fā)揮巨大的作用，研究納米系統(tǒng)的靜態(tài)特性以預(yù)測(cè)納米物體的性能和性能。 研究結(jié)果已經(jīng)證明，熱波動(dòng)的存在允許在短時(shí)間尺度上違反小系統(tǒng)的熱力學(xué)第二定律，盡管第二定律在普遍條件下仍然有效。
4.9活性物質(zhì)
近年來(lái)，光鑷已被證明對(duì)活性物質(zhì)體系的表征和光力與熱泳動(dòng)相互作用的研究具有重要意義。主動(dòng)物質(zhì)系統(tǒng)是由具有自推進(jìn)能力的自然和人工物體構(gòu)成的系統(tǒng)。由于它們將能量轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力的能力，這些系統(tǒng)表現(xiàn)出群集行為以及由于遠(yuǎn)離平衡的相互作用而出現(xiàn)的其他集體特性。這種自我推進(jìn)的行為是由于隨機(jī)波動(dòng)(負(fù)責(zé)布朗運(yùn)動(dòng))和主動(dòng)游動(dòng)之間的相互作用，驅(qū)使它們進(jìn)入一個(gè)遠(yuǎn)離平衡的狀態(tài)。雖然自推進(jìn)是微機(jī)械的一個(gè)眾所周知的特征，為了尋找營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或?yàn)榱颂与x有毒的環(huán)境，仍有許多工作致力于實(shí)現(xiàn)人工自推進(jìn)的納米和微粒子。自推進(jìn)粒子的兩個(gè)典型例子是人造Janus粒子和生物細(xì)菌，如大腸桿菌，它們都可以用光鑷很好地捕獲。此外，還可以使用光鑷來(lái)同步活動(dòng)粒子的集體行為。特別是，該特性已被用于捕獲活躍的布朗粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)自組裝流體泵。光鑷也可以用來(lái)擾動(dòng)活性物質(zhì)的環(huán)境，改變它們的集體行為。
5. 結(jié)論
光鑷是當(dāng)今在微觀和納米尺度上對(duì)各種樣品進(jìn)行非接觸操作的關(guān)鍵工具。利用精確的t矩陣方法對(duì)光鑷進(jìn)行建模，使人們對(duì)非球形粒子的實(shí)驗(yàn)和形狀的作用有了更深入的認(rèn)識(shí)。在這里，我們討論了光鑷?yán)碚摵蛯?shí)驗(yàn)實(shí)踐的一些基本方面，重點(diǎn)討論了在生物學(xué)、光譜學(xué)、光學(xué)定位和納米熱力學(xué)中的應(yīng)用。自從亞瑟·阿什金(Arthur Ashkin)在微粒子上的光學(xué)力方面的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)以來(lái)，這一令人興奮的領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展了近50年，它的發(fā)展勢(shì)頭仍在不斷擴(kuò)大，從生命科學(xué)到納米引擎，再到量子技術(shù)，令人興奮不已。
