光鑷的產生

_{最近，小編被我司的工程師小姐姐安利了一部據說是英國最長壽的科幻劇《神秘博士》（Doctor Who）。在2018年底剛剛回歸的十一季中，新上任的第十三任Doctor造出了一件亮眼的神器——升級版音速起子，可謂是上可打外星人，下可開防盜門，有點無所不能的意思。}

十三姨和她的起子

而在咱們現實的物理學領域，雖然沒有這樣的“起子”，但卻有一個了不起的“鑷子”。那就是2018年諾貝爾物理學獎獲得者Arthur Ashkin發明的“光鑷（Optical Tweezer）”。
 

“光鑷之父”Arthur Ashkin

“光鑷之父”Arthur Ashkin早在1986年就發明了光鑷，他的工作核心是利用光學梯度力進行光學捕獲和操控小型介質粒子。同時，他也是許多研究的“第一人”：
 
第一個觀察到作用于原子的光學梯度力
第一個實現激光冷卻原子的“光學粘膠”
第一個觀察到光對原子的捕獲現象
 
并且，Arthur Ashkin將光學捕獲技術發展到了捕獲并操控活體材料，例如細菌、病毒和細胞。而將材料“夾”在一定位置的激光技術，則被稱為“光鑷”。
 
通過這項研究，Ashkin探索了細胞的內部，操控細胞的內部結構，并且奠定了發現更好地了解人體健康、疾病狀態方法的基礎。可以冷卻并捕獲原子的技術，則引領了基礎科學里程碑式的進步，例如原子蒸氣中玻色愛因斯坦冷凝物（Bose-Einstein condensates）的創造。
 
那么，這神奇的光鑷要怎么“打造”呢？這時候需要登場的，就是空間光調制器（LCOS-SLM）了。
 
可以同時產生多個光鑷的空間光調制器（LCOS-SLM）

濱松空間光調制器

濱松板級空間光調制器
 

 
如上圖所示，通過SLM小小的液晶屏，就可以將一束普通高斯光編程許多個“高級鑷子”，例如攜帶軌道角動量可以讓粒子旋轉起來的“渦旋光”，無衍射的“貝塞爾光”等等。由于其可編程的特性，還可以同時產生多個三維空間分布的光阱。
 

 
下面來表演一下：
 

對于濱松的空間光調制器來說，自帶軟件還專門配有“光鑷模式”，可以根據用戶的具體需求“量身定制”（PS.三維多焦點也是可以提供軟件定制的哦~）。下面就由咱們的工程師小姐姐來為大家介紹介紹~ 點擊此處，觀看視頻>>
 
可以觀察光鑷工作的科研級sCMOS相機
 
除了要“打造”出光鑷，對于它的工作狀態也是需要進行觀測，這時候科研相機就是一個重要的“記錄者”。在光鑷應用中，相機有兩項關鍵參數是需要注意的：分辨率和幀速
 
# 分辨率
 
由于光鑷所操控的粒子都是細胞器級別的非常微小的粒子，所以在光學系統（顯微鏡）分辨率一定的情況下，相機的分辨率越高，就越能看清楚捕獲微觀粒子的細節。
 
# 幀速
 
“光鑷是一種非接觸式3D定位方法，適用于微米/納米級別的操縱和組裝等領域。在這些應用中，在高速下相對長距離操縱粒子的能力對于確定整體工藝效率和產量至關重要。”（摘自論文Fundamental Limits of Optical Tweezer Nanoparticle Manipulation Speeds）
 
為了保持被操控粒子的活性，光鑷對微觀粒子操控的速度是非常快的，因此就需要相機有足夠高的幀速來捕獲微觀粒子的運動。可以說“高速”是光鑷的核心需求。
 
而對于相機來說，幀速越高，意味著曝光時間越短，曝光時間短會導致相機接收到的信號弱。這樣為了保證圖像足夠清晰，就需要相機有足夠高的信噪比，也就是相機的噪聲要足夠小才能達到這樣的高幀速。
 
例如在Matti Kinnunen, Adjunct Professor of University of Oulu 的例子“OPTICAL TWEEZERS: PRINCIPLES AND SELECTED APPLICATIONS”中，就使用了1000幀/秒的幀速來拍攝2.54μm的二氧化硅小球。
 

 
濱松除了空間光調制器外，還可為光鑷應用提供具備高速、高靈敏度的ORCA系列科研級相機。