北京时间10月2日下午5点45分，瑞典皇家科学院公布了2018年诺贝尔物理学奖获奖者名单，Arthur Asshkin（美国）,Gerard Mourou（法国）,Donna Strickland（加拿大）三位物理学家分享了这一奖项。这次奖项一半授予Arthur Ashkin“用于光学镊子及其在生物系统中的应用”，另一半授予Gérard Mourou和Donna Strickland，“为他们生成高强度，超短光脉冲的方法”。三人的获奖理由是：“用于激光物理领域的突破性发明”。
Arthur Ashkin发明了一种光学镊子，它能利用激光束手指来捕捉粒子、原子、病毒和其他活细胞。这个新的工具让Ashkin实现了一个科幻小说中的古老的科学梦想——利用光的辐射压力来移动真实存在的物体。他成功地用激光将微小的粒子向激光束的中心推进，并让它们维持在那个位置上。光学镊子被成功发明。
Gérard Mourou和Donna Strickland是一对师生，他们为人类创造出最短且最强的激光脉冲铺平了道路。他们采用了一种巧妙的方法，在不破坏被增强型材料的情况下，成功地制造出超短、高强度激光脉冲。首先，他们从时间上对激光脉冲进行拉伸，以减小其峰值的功率，然后对其进行放大，最后再对它们进行压缩。如果脉冲在时间上被压缩并变得更短，那么更多的光就会聚集在同一个微小空间中——脉冲的强度就会急剧增加。
光学是一门既古老又现代的学科。经典光学主要是以电磁辐射本身为研究对象，而近代光学的发展则是以光与物质的相互作用为主要研究内容。自20世纪60年代激光的诞生，强光与物质的相互作用产生了一系列非线性效应，使光学领域焕然一新。
光镊是80年代基于激光技术绽放出来的一朵绮丽之花，光镊技术将光具有动量属性的一面展现得淋漓尽致，她不仅丰富和推进了光学领域的发展，也为光学联合众多姊妹学科搭建了一座桥梁，彰显出她独特的魅力。
光镊是由光形成的一种特殊工具，类比人们常用的机械镊子，光镊是“无形”的，它能够对微粒实施无损无菌操控、视屏动态跟踪、进行微小力的测量。这种能够用一束光在三维空间控制悬浮的微粒的实验，结构简洁而有效，技术达到完美的境地。正值纳米科技蓬勃发展之际，生物学研究从系综深入到定量，人类对自然界和自身的认识不再满足于对宏观现象的了解，我们渴望深入到对每一个个体微观机理和功能的定量研究，以便接近自然本质，从而更好的认识和改造自然。所以，光镊一问世，科学家们就预感用光力控制微米尺度颗粒的技术潜藏着不可估量的发展和应用前景。二十多年来，基于光镊操控颗粒的原理和应用研究，证明了该技术的独到和不可或缺的价值。
光镊技术作为皮牛（pN）力的探针，其微观操纵能力和超高的空间、时间分辨率，已经为我们拉开了研究生物单分子的序幕，使我们充分领略到光镊那巧夺天工之神力。我们的身体内，主宰生命运动的无数个川流不息的生物大分子的运动规律已被光镊所窥测；我们的食物通过消化系统形成的各种化学能，又如何转化成我们运动的原动力已被澄清；导致血液凝结的单分子机理也已被揭晓。特别是光镊技术已经嫩巩固直接控制活体动物血管内细胞，可望成为生物基础研究和医学临床提供重要工具。
我们发现，生物教课书上精细描绘的那一幅幅充满想象的卡通图中隐含着诸多的物理思想，从此他们将经受物理学家精确的实验检测和验证，一层层揭开其神秘的面纱。人类在19世纪末完成了伟大的人类基因组计划，我们相信下一个计划就应该是“生物单分子力谱”的宏伟工程。回答“什么是生命”这一古老话题，揭秘生命的奥秘，解决人类疾病总是令人神往的，让我们共同来谱写这部天书吧。
从Ashkin A 1986年发表的第一篇单光束光镊论文起，已经历了约30年。光镊从鲜为人知、集中在少数物理学家的实验室中，从简单的微米细胞的操控到目前可以实现对单分子亚纳米精度的测量。极大地促进了定量生物学的发展。光镊技术已成为众多学科科学家渴望的工具。光镊领域正迎接应用技术蓬勃发展的未来。
光镊名称的由来
A.Ashkin于1970年发现当一束激光射向微米微粒时，该微粒会受到一个沿光线传播方向的推力；用两束激光对射时就可以将微粒夹持住。后来，他进一步发现利用一束会聚激光可以在三维方向上控制微粒，由此开拓了光捕获微粒研究的新领域。
A. Ashkin
光镊，顾名思义，它是一种利用一束光抓住物体的工具。经验告诉我们，传统的机械镊子用来夹持物体时，必须使镊尖接触到物体，并施加一定的压力，物体才会被钳住，然后就可以固定物体或对它进行目标迁移等操作。而光镊与之不同，光镊使物体整个受到光的束缚从而达到“钳”的效果，然后通过移动光束（或改变物体的环境）来迁移物体。
与机械镊子相比，光镊是以一种温和的非机械接触的方式完成夹持和操纵物体的。尤为重要的是，在以形成光镊的光为中心的一定区域内，物体一旦落入这个区域就有自动移向光束中心的趋势，其现象尤如微粒被吸尘器吸入,或者像一个飞行物坠入宇宙黑洞那样,表现出光镊具有“引力”效应(也有人称之为牵引束)。已经落入阱中的微粒(处在光束中心的微粒)，若没有外界力的扰动，物体将不会偏离光束中心。由于各种外界作用或微粒自身布朗运动等原因，当微粒略偏离光束中心也会很快恢复到原位，所以光镊又酷似一个陷阱（trap,snare）。这个陷阱有一定范围，在该范围边界处存在一个势垒。当物体的动能不足以克服势垒时，它将继续停留在陷阱内，这个范围就叫做阱域（trap region）。
由此可见，会聚的激光光束具有抓住物体的作用，所以称为光镊，即光学镊子（optical tweezers）。所谓的光镊，其实是比拟宏观机械镊子对光的势阱效应的一种形象而通俗的描绘，既利用镊子的概念又不失其光学本质地赋予光势阱一个独特的命名。当我们在研究光镊自身的物理性质时，还会采用“光学势垒”（optical barrier）、“光捕获阱”（optical trap）、“光梯度力阱”（optical gradientforce trap）或“光阱”（optical trap）等物理术语。
摘要
光镊技术在分子生物学、胶体科学、实验原子物理等领域中具有极其重要的作用，光镊本身也不断发展并产生许多衍生光镊技术。空间光调制器(SLM)所形成的全息光镊，在多粒子操控方面的优势，为光镊技术走向实用化、规模工业生产打开了新局面，是目前光镊家族极具活力的成员。本文简单介绍了全息光镊的原理和应用，以及市面上唯一的商用全息光镊系统--美国Meadowlark（BNS）公司的全息光镊系统CUBE。
引言
光镊又称单光束粒子阱,是A. Ashkin在1969年以来关于光与微粒子相互作用实验的基础上于1986 年发明的。单光束粒子阱实质上是光辐射压梯度力阱,是基于散射力和辐射压梯度力相互作用而形成的能够网罗住整个米氏和瑞利散射范围粒子的势阱。它是由高度汇聚的单束激光形成的,可弹性地捕获从几nm 到几十μm 的生物或其他大分子微粒 (球) 、细胞器等,并在基本不影响周围环境的情况下对捕获物进行亚接触性、无损活体操作。
光镊自1986 年发明以来，以其非接触、低损伤等优点，在激光冷却、胶体化学、分子生物学等领域的实验研究中发挥了极其重要的作用。随着光镊技术应用领域的不断扩大，为适应更多的研究需求，光镊技术本身也在向实时可控的复杂光阱方面不断地改进。目前研究人员经过不断地改进实验方法以及控制样品的布朗运动，可以在秒的时间尺度上实现埃量级精度的位移测量。同时可以捕获并观察到最小达25 nm 的粒子，并有望捕获更小的纳米粒子。在过去的几十年里，光镊技术的发展使人们较详细地了解在复杂的生物系统中分子的运动机制成为可能。就表现形式而言，光镊仪器由最初的单光束梯度力光阱逐渐演化出了许多类型的光学势阱。如双光镊、三光镊、四光镊、扫描光镊、飞秒光镊等。这一系列光镊的衍生技术不仅丰富了光镊家族，更为生物科学等不同领域在微纳尺度的研究提供了一个非常巧妙的工具，如测量双链DNA 的解螺旋过程、研究分子马达的运动机制、分离水稻染色体等。多光阱操控技术在众多的实验研究中显得越来越重要。光镊技术在一个由简单的单光束梯度力光阱向多光镊及阱位可控的复杂光镊的不断发展过程中，全息光镊作为一种产生多光阱或新型光学势阱的方法脱颖而出。它不仅能构成各种功能的光阱，并且还能实现三维光阱阵列，并且带动了一系列的研究和发展。科学家Grier预言，全息光镊将引发光学操纵的一场技术革命。
全息光镊的原理
全息元件是构成全息光镊的关键元件，它是利用底片记录物光和参考光所形成的干涉图样，物光场再现时，只需用原来的参考光照射全息元件，即可获得重建的物光场。全息光镊就是利用全息元件构建的具有特定功能的光场而形成的光镊。所形成的光场性质的不同，全息光镊会实现不同的功能，如单粒子的旋转、多粒子的操控和分选等。最早的全息光镊由芝加哥大学Eric R. Dufresne 等于1998 年实现，他们使用衍射光学元件(DOE)将准直的激光束分成多个独立的光束，通过强会聚透镜聚焦后形成多光镊。构建全息光镊的关键是根据实际需要选择合适的全息元件。传统生成全息元件的方法是利用相干光干涉制作的，其缺点是所拍摄的全息元件存在衍射效率低、制作费时以及通用性差等，因而它在全息光镊中并没有得到广泛的应用。目前全息光镊的全息元件多由空间光调制器(SLM)形成。常见的空间光调制器有液晶空间光调制器、磁光空间光调制器、数字微镜阵列(DMD)、多量子阱空间光调制器以及声光调制器等。还可以用紫外光刻来制作特定的衍射光学元件来调制光场。现在用的较多的是由计算机寻址的液晶空间光调制器实现全息元件，通过改变全息元件就可以使得所形成的光阱作动态变化。
在计算机出现之前，需要采用激光全息的方法形成有限形状的全息图。目前在计算机的辅助下，可以实现任意形状的全息图。不过，每实现一种新设计的光阱，都需要重新计算相应的全息图。随着计算机速度的不断刷新以及新的算法的出现，在一般的科研实验室已经可以很容易实现任意形状的全息光镊。原则上全息光镊可以产生任意形状、大小、数量的光阱。通过改变捕获光的相位分布，可以使捕获粒子在光阱中按设定的路线运动，为实现光镊分选粒子提供更加方便的工具。随着激光捕获技术的不断进步以及捕获对象的不断变化，传统的单光束梯度力光阱已经不能满足微观粒子捕获的新需求。作为新兴的光镊技术，全息光镊的加盟使得光镊家族充满活力，全息光镊在捕获和操控多粒子和实现表面等离子体共振捕获粒子等领域展现出极大的应用前景。充分认识全息光镊的优缺点有助于人们在设计全息光镊时，充分利用其优点，克服不足之处，设计出满足实际需要的性能优越的全息光镊，使之在分子生物学、生物化学、纳米制造等领域发挥其独特的优势，为交叉学科的研究提供更多有价值的信息。
全息光镊的典型应用
由于光和粒子之间有动量或角动量的交换，光场成为一个传统的非接触的捕获、移动、拉伸或旋转微观粒子的工具。传统的方法利用波片和偏振器件可以获得具有确定自旋角动量的光束，利用一定的全息图可以获得具有轨道角动量的光束，如涡旋光束等。这使得全息光镊的应用范围得到扩大，在微粒的光致旋转、多粒子的操控和复杂运动方面显示出其独特的优势。
1 新型空心光场捕获和旋转微小粒子
光子具有线性动量和角动量，角动量又包括轨道角动量和自旋角动量。其中，自旋角动量取决于光束的偏振状态，它可以通过棱镜和波片等来改变。2007年，Wang 课题组采用纳米制造技术制备出圆柱型的纳米石英颗粒。这种颗粒在光镊中会发生旋转，进而测量dsDNA 的扭转力和力矩。这种技术正是利用光子的自旋角动量会使得双折射粒子发生旋转的特性。
1991 年Sato 等首次实现了光镊中粒子的光致旋转，所采用的光束为旋转的高阶Hermite-Gaussian光。之后出现一系列的利用新型光阱来研究微粒的光致旋转，如空心高斯光束、拉盖尔-高斯光束、高阶贝塞尔光束、面包圈空心光束及LP01 模输出空心光束等，这些空心光束的优势是捕获粒子时所产生的热效应小，且具有常用的高斯光束形成的单光束梯度力光阱所不具有的新特性。传统的全息技术则推动了这些新型光束在光致旋转方面的应用研究。轨道角动量则与光场的特定空间分布相联系。
具有轨道角动量的光束可以通过旋转的Dove 棱镜来产生，但这需要在光学波长范畴下很精确的布置棱镜，实现较困难，且不能动态改变光束的特性。全息技术的应用克服了上述缺点，它使得人们利用合适的全息图很容易地获得具有轨道角动量或特定衍射特性的光束，如拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian，LG)光束、贝塞尔光束(Bessel Beam)、厄米-高斯(Hermite-Gaussian)光束等。
此外，利用全息技术产生的新型光阱，如涡旋光阱，在界面所形成的倏逝波形成的近场光镊可以用来捕获和旋转金属粒子。2008 年，苏格兰的圣·安德鲁斯大学的Maria Dienerowitz 等利用LG 光捕获纳米金粒子，他们用接近表面等离子激元共振的光束将金粒子限制在LG 光的暗场区域，并且利用光子的轨道角动量的转移，实现对同时捕获于光阱中的两个100 nm 的金纳米粒子的旋转。
2 多粒子复杂运动
利用光波前校正技术所产生的力可以在科技和工程应用的许多领域实现快速控制，如全息光镊可以对多粒子进行实时动态的捕获和操控。奥地利Innsbruck 医学院的Jesacher 等在用液晶空间光调制器产生复杂光波前的实用性方面进行较多的研究。他们通过分别控制光场的振幅和相位，在预先设定形状的光阱中捕获和操纵微观的电介质小球。改变光场的振幅和相位，不仅可以实现十字、矩形、圆形等特殊形状的光阱，还可以控制粒子在其中沿特定的路径运动，原则上可以实现对粒子在任意形状的光阱中的操控。
3 全息光镊的其他应用
由全息技术形成的复杂光镊在捕获和操纵微观粒子或原子等不同场合具有重要的应用价值，因为它比通常的只能控制光场振幅的光镊具有更强的适应性。例如，用特制的相位片产生的全息光镊可以传输、分选或控制微小粒子的聚集。
目前，利用全息技术可以获得多达400 个光阱的全息阵列光镊，结合计算机技术，还可以对其中单个光阱的特性进行动态的改变。这样产生的实时光阱可以对运动的和高分散的物体进行捕获，如病毒、小胶体以及游动的细菌。此外，还可以产生线状、Bessel型光阱以及带有角动量的光学旋涡光阱等。这些非寻常的光阱使得在像平面或光轴方向调整、旋转物体、产生旋转的环形物体以及获得其他的非典型的操纵成为可能。这些研究进一步扩大了全息光镊的应用范围，使之成为交叉科学研究殿堂中一朵奇葩。
全息光镊的特点是可以自由控制多个粒子，使得粒子的融合、吸附以及粒子间或粒子与表面的相互作用研究得到简化。如将病毒植入细胞或将精子植入卵细胞，以及用多功能的小球和表面探测分子间结合力等。通过观察光阱中物体的行为，还可以对物体或周围环境的特性进行精确的测量。多光阱可以在单分子及细胞膜与流体界面拉伸或弯曲材料。这类实验可以获取许多系统中弹性模量、表面能以及吸附力等信息，同时简化了微观尺度机械特性的研究。全息光镊可以用来组装特定的结构。使用荧光或者反射光照明，能够在透明基底或电极上观察和定位特定的材料。全息光镊可以将许多具有新的物理或光学特性的材料组织在三维空间。潜在的应用是构建光子晶体带隙材料、制作生物或纳米尺度的电子元件以及在电极上沉积不同的材料以便测量他们的电学特性。2007 年，美国的科学家利用红外光形成的光镊在硅片上控制微粒的运动，他们通过选择合适厚度和掺杂浓度的硅片，使之透过红外光进而能够被CCD探测。这项技术突破了传统的在液相中捕获粒子的瓶颈。若将全息光镊技术与之结合，则可以在特定的固体表面组装一些有意义的结构。
特别要指出的是，在全息光镊发明之前，光镊技术主要侧重在单粒子的基础研究方面，全息光镊在对多粒子操控方面的优势，为光镊技术走向实用化、规模工业生产打开了新局面。
产品举例
目前市面上商用光镊系统大多采用声光偏转器（AOD），Meadowlark（BNS）公司的全息光镊系统CUBE是仅有的商用全息光镊系统。其结构示意图如下：
与其他采用声光偏转器（AOD）的光镊相比，Meadowlark（BNS）公司的全息光镊系统CUBE具有以下特点：
1.目前市面商用多光镊系统均采用声光偏转器（AOD）高速调制激光形成不同光阱，只能做到二维（x,y方向）平面操控，如平移等。液晶空间光调制器对光可以进行强度和相位调制，为真3D操控。不仅可以平移，还可以对微粒及细胞进行三维旋转等操控。
2.由于可以对光进行相位调节，液晶空间光调制器可以校正相差，调节激光光斑，使光阱分布更趋于理想化。
（a)加载在SLM上用于校正相差的相位图（b）校正前光斑（c）校正后光斑
3.液晶空间光调制器（SLM）衍射效率大于90%，比声光偏转器（AOD）高，对激光的利用率更高。
4.不同于声光偏转器（AOD）是通过高速切换来形成多个光阱，液晶空间光调制器（SLM）能同时生成多个聚焦光束，每个光束形成一个独立的光阱，故而光阱的稳定型更好。
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