全息光鑷的典型應(yīng)用

由于光和粒子之間有動量或角動量的交換，光場成為一個傳統(tǒng)的非接觸的捕獲、移動、拉伸或旋轉(zhuǎn)微觀粒子的工具。傳統(tǒng)的方法利用波片和偏振器件可以獲得具有確定自旋角動量的光束，利用一定的全息圖可以獲得具有軌道角動量的光束，如渦旋光束等。這使得全息光鑷的應(yīng)用范圍得到擴(kuò)大，在微粒的光致旋轉(zhuǎn)、多粒子的操控和復(fù)雜運(yùn)動方面顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢。

1.新型空心光場捕獲和旋轉(zhuǎn)微小粒子

光子具有線性動量和角動量，角動量又包括軌道角動量和自旋角動量。其中，自旋角動量取決于光束的偏振狀態(tài)，它可以通過棱鏡和波片等來改變。2007年，Wang 課題組采用納米制造技術(shù)制備出圓柱型的納米石英顆粒。這種顆粒在光鑷中會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而測量dsDNA 的扭轉(zhuǎn)力和力矩。這種技術(shù)正是利用光子的自旋角動量會使得雙折射粒子發(fā)生旋轉(zhuǎn)的特性。

1991 年Sato 等首次實現(xiàn)了光鑷中粒子的光致旋轉(zhuǎn)，所采用的光束為旋轉(zhuǎn)的高階Hermite-Gaussian光。之后出現(xiàn)一系列的利用新型光阱來研究微粒的光致旋轉(zhuǎn)，如空心高斯光束、拉蓋爾-高斯光束、高階貝塞爾光束、面包圈空心光束及LP01 模輸出空心光束等，這些空心光束的優(yōu)勢是捕獲粒子時所產(chǎn)生的熱效應(yīng)小，且具有常用的高斯光束形成的單光束梯度力光阱所不具有的新特性。傳統(tǒng)的全息技術(shù)則推動了這些新型光束在光致旋轉(zhuǎn)方面的應(yīng)用研究。軌道角動量則與光場的特定空間分布相聯(lián)系。

具有軌道角動量的光束可以通過旋轉(zhuǎn)的Dove 棱鏡來產(chǎn)生，但這需要在光學(xué)波長范疇下很精確的布置棱鏡，實現(xiàn)較困難，且不能動態(tài)改變光束的特性。全息技術(shù)的應(yīng)用克服了上述缺點(diǎn)，它使得人們利用合適的全息圖很容易地獲得具有軌道角動量或特定衍射特性的光束，如拉蓋爾-高斯(Laguerre-Gaussian，LG)光束、貝塞爾光束(Bessel Beam)、厄米-高斯(Hermite-Gaussian)光束等。

此外，利用全息技術(shù)產(chǎn)生的新型光阱，如渦旋光阱，在界面所形成的倏逝波形成的近場光鑷可以用來捕獲和旋轉(zhuǎn)金屬粒子。2008 年，蘇格蘭的圣•安德魯斯大學(xué)的Maria Dienerowitz 等利用LG 光捕獲納米金粒子，他們用接近表面等離子激元共振的光束將金粒子限制在LG 光的暗場區(qū)域，并且利用光子的軌道角動量的轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)對同時捕獲于光阱中的兩個100 nm 的金納米粒子的旋轉(zhuǎn)。

2.多粒子復(fù)雜運(yùn)動

利用光波前校正技術(shù)所產(chǎn)生的力可以在科技和工程應(yīng)用的許多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)快速控制，如全息光鑷可以對多粒子進(jìn)行實時動態(tài)的捕獲和操控。奧地利Innsbruck 醫(yī)學(xué)院的Jesacher 等在用液晶空間光調(diào)制器產(chǎn)生復(fù)雜光波前的實用性方面進(jìn)行較多的研究。他們通過分別控制光場的振幅和相位，在預(yù)先設(shè)定形狀的光阱中捕獲和操縱微觀的電介質(zhì)小球。改變光場的振幅和相位，不僅可以實現(xiàn)十字、矩形、圓形等特殊形狀的光阱，還可以控制粒子在其中沿特定的路徑運(yùn)動，原則上可以實現(xiàn)對粒子在任意形狀的光阱中的操控。

3.全息光鑷的其他應(yīng)用

由全息技術(shù)形成的復(fù)雜光鑷在捕獲和操縱微觀粒子或原子等不同場合具有重要的應(yīng)用價值，因為它比通常的只能控制光場振幅的光鑷具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。例如，用特制的相位片產(chǎn)生的全息光鑷可以傳輸、分選或控制微小粒子的聚集。

目前，利用全息技術(shù)可以獲得多達(dá)400 個光阱的全息陣列光鑷，結(jié)合計算機(jī)技術(shù)，還可以對其中單個光阱的特性進(jìn)行動態(tài)的改變。這樣產(chǎn)生的實時光阱可以對運(yùn)動的和高分散的物體進(jìn)行捕獲，如病毒、小膠體以及游動的細(xì)菌。此外，還可以產(chǎn)生線狀、Bessel型光阱以及帶有角動量的光學(xué)旋渦光阱等。這些非尋常的光阱使得在像平面或光軸方向調(diào)整、旋轉(zhuǎn)物體、產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的環(huán)形物體以及獲得其他的非典型的操縱成為可能。這些研究進(jìn)一步擴(kuò)大了全息光鑷的應(yīng)用范圍，使之成為交叉科學(xué)研究殿堂中一朵奇葩。