一、光镊技术的由来
光镊技术的诞生可追溯至1970年，当时美国科学家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）进行了一项开创性的实验。他观察到，当一束激光照射到微米级的微粒上时，微粒会受到一个沿激光传播方向的推力。进一步地，当两束激光相对照射时，能够将微粒稳定地夹持在光束的交汇处。这一发现为光捕获微粒的研究领域奠定了基础。
阿什金继续深入研究，发现利用一束会聚的激光可以在三维空间内精确控制微粒的位置。这种技术，即光镊，通过光的束缚作用实现对微粒的“钳”式捕捉。与传统的机械镊子不同，光镊采用了一种温和且非机械接触的方式来进行微粒的夹持和操纵。
光镊技术的独特之处在于，微粒一旦进入以光束为中心的特定区域，便会自发地向光束中心移动，这种现象仿佛微粒被吸尘器吸入一般，显示出光镊的“引力”效应。一旦微粒位于光束中心，若无外界力的干扰，它将保持在中心位置。即便由于外界作用或微粒自身的布朗运动导致其偏离中心，微粒也会迅速恢复到原位，使得光镊宛如一个“陷阱”。
这个“陷阱”具有一定的边界，边界处存在一个势垒。只有当微粒的动能足以克服这个势垒时，它才能逃离“陷阱”。否则，微粒将继续被限制在“陷阱”内，这个区域被称为阱域。
由此，会聚的激光光束能够有效地“抓住”并操控物体，因此得名光镊，亦即光学镊子（optical tweezers）。光镊技术的发明，为物理学和生物学等领域提供了一种有力的工具。
二、光镊技术的原理
1、光捕捉
光捕获实际是动量守恒原理的体现，利用光与物质间的动量传递的力学效应实现捕获。
光的本质是特定波长的电磁波，携带着动量和能量。通过透镜聚焦后的激光束，对其焦点附近的微粒产生力的作用。光对物体施加的这个力非常小，大约是10-12 N的量级，但它可以用来操纵像微球这样的微小物体。这种强度力一般会分为两种，分别为散射力（Scattering force）和梯度力（Gradient force）。
散射力，由光束散射过程中与物体交换动量获得，它是沿着光的传播方向，使得粒子沿着光束传播的方向移动。由于光束的高斯分布，激光束在横向方向上有强度梯度，这种强度梯度产生了梯度力，梯度力沿光场梯度方向。梯度力将微球（其折射率比周围环境高）吸引到光强最强的区域。当激光聚焦到一个紧密的点时，在轴向上有一个强度梯度，散射力的轴向分量利用辐射压力将物体推向光束传播的方向。如果轴向梯度力大到足以平衡散射力，物体将在激光束的焦点区域的一个平衡位置实现捕获。
当粒子的特征尺寸远大于激光波长时，光线穿过粒子时发生折射和反射，发生的动量传递而产生的力学效应表现为光力，可以通过简单的几何光学模型来对解释光阱力。
图1：几何光学近似下的单光束光阱捕获---当微粒位置偏离光束中心时
如图1所示，高斯光束经过一个显微镜物镜聚焦，其中两束光线（白色箭头a和b)通过介质微球，由于光束发生折射，光束会改变其传播方向，从而导致动量的变化。当介质微球不在光束中心的部分，中心部分意味着光束强度较高，即图1中的光线 a 向左发生折射，这就意味着激光动量向左变化，根据动量守恒定律，粒子会受到一个向右的动量，因此会有一个力Fa指向光束的中心（图1中的黑色虚线即表示光束中心）。同样的，强度较弱的光线b向右发生折射，其动量向右改变，并在远离光束中心的介质微球上施加一个偏离光束中心的光力Fb。从图1中可以看出，光线a的强度比光线b强的多，那么合力将粒子向右边推。同理，当粒子处于光束轴的右侧时，微粒小球最终就会受到一个向左的光力。因此，光场强度梯度总是导致粒子上的梯度力（Fgrad）趋向于光束强度最强的位置。此外，粒子表面反射的光线会沿光束传播的方向产生一个向前的散射力（Fscatt）。
图2：几何光学近似下的单光束光阱捕获---当微粒位置高于焦点时
图2表示的是介质微球在高度聚焦的激光束中，纵向梯度力将为例推向聚焦平面。
图3：几何光学近似下的单光束光阱捕获---作用于微粒上的合力
如图3所示，合力总是将微粒推向光束的焦点。只要满足 Fgrad≫Fscatt，在高度聚焦的激光束中，就可以形成稳定的三维势阱。
2、光操控
光镊的基本功能是对微小微粒的捕获和操控。
捕获是从样品室中将样品抓到光阱中；操控就是将捕获的样品挪动到样品室中新的位置。移动微粒所在的环境或光镊都能达到相对运动的目的。
比较方便和常用的方法是使目标物体与所在环境相对运动，即固定光镊，操控目标物体所在环境，通过移动样品台带动样品室运动，这样被光镊固定的样品就能改变其位置，称之为被动操控(passive manipulation)。还有一种是通过控制光镊的运动实现微粒与周围环境的相对运动，称之为主动操控(active manipulation)。
1）光陷阱效应
当微粒偏离光镊的中心为某个距离R时，微粒就受到光的阱力作用，会以一定的加速度滑入光镊的中心；
我们定义以R为半径的圆为光阱的平面阱域（trap domain），微粒受光的阱力作用滑入光镊中心的现象称为光陷阱效应(Optical trap effect)。
阱域就是以光阱的中心为圆心，以R为半径覆盖的区域。微粒陷入光阱中心的过程是一个加速过程。阱域的大小与聚焦镜、光强以及微粒的参数等有关。
2）直接操控微米微粒
横向操控，是指在垂直于光轴的平面内对微粒的操控，我们通过显微镜视场可以观测这种操控。在该平面，可以用光镊捕获和控制微粒进行任意方向的运动。先可以移动样品台将目标微粒移至光镊中心实现捕获，也可以通过光陷阱效应获得目标微粒。一旦目标微粒被光镊控制，就可以通过操控样品台带动样品室，实现被光镊控制的微粒与其所在的环境做相对运动，实现操控。
轴向操控，是指沿光线传播方向操控微粒。轴向的操控是通过调节物镜距样品室的高度控制光阱的轴向位置，使捕获物镜与样品台在纵方向上产生相对运动，或位置的改变，实现光阱对捕获微粒的轴向操控。
3）间接操控微米微粒
对于纳米微粒，需要利用光阱系统能清晰分辨的微米微粒作为“手柄”，将纳米微粒先通过化学偶联牢固地与微米微粒形成刚性的结合。光镊通过操控“手柄”达到操控纳米微粒的目的。这种间接操控法使光镊操控范围扩展到纳米尺度，已成为一种有效的单分子纳米操控技术。
三、光镊技术的特点
（1）非接触性操控：光镊利用光场与物体交换动量，实现对细胞的温和夹持，无集中受力点，避免了机械损伤。通过选择适宜的激光波长和能量，确保了对捕获样品的安全性，实现了真正的非接触式操作。
（2）穿透性操作：光镊具备独特的穿透能力，能够无障碍地越过透明屏障，操控封闭系统内部的微粒，如细胞器等。这一特性使得光镊在活体生物研究中具有机械方法无法比拟的优势，实现了无菌操作的精确控制。
（3）维持细胞生存环境：光镊技术在液体环境中操作，能够保持细胞的“天然”生存环境，特别适用于活体细胞、细胞器及生物大分子的操控与研究，为活体生物学研究提供了有力工具。
（4）微米、纳米尺度操控：光镊能够操控的微粒尺度范围广泛，覆盖了生物大分子、细胞器、细胞的尺度。在活体生物研究领域，光镊填补了微米、纳米尺度操作工具的空白，成为该尺度范围内的唯一操作手段。
（5）远距离遥控操作：光镊的机械部件与捕获对象距离远大于对象尺度，实现了“遥控”式远距离操控，不会干扰微粒周围环境，便于与其他生物学技术结合，拓展功能，获取更多信息。
（6）高可视性动态观测：光镊技术能够使细胞在液体中指定位置悬浮，保持活性且不扰动生存环境。其高可视性为研究者提供了极大的便利，实现了对活体细胞和大分子生命活动的“实时动态”显示。
（7）微小力的精确探测：光镊作为一种灵敏的力传感器，能够实时感应微小负荷，力的分辨精度高达几飞牛。光镊作为微小力的探针，为定量生物学的发展提供了有力支持，成为揭示生命过程规律的有力武器。
（8）强大的技术兼容性：光镊系统基于光学原理和显微观测设计，与多种光学技术具有良好的兼容性。它可与常规显微镜及其配置功能相结合，还能与荧光激发、DIC微分干涉仪、微针辅助测量等技术融合。此外，光镊与拉曼光谱技术的结合，为单细胞和单分子的拉曼光谱测量提供了可能。
四、《光镊技术》
五、参考资料：
（1）光束的力量—斩获2018诺贝尔物理学奖的光镊技术---深圳大学学报理工版
（2）纳米线的光镊操控及应用_吴易璇
（3）飞秒光镊技术的研究进展_顾兵
（4）真空光镊技术与应用_田原
（5）拉曼光镊技术的研究进展及应用_王子奇