Figure 1 光镊形象示意图

　　在日常生活或者是某些专业领域实验中，镊子是我们常常要接触到的一种工具，因为它可以做到一些我们仅凭自己双手很难控制的精密操作，然而随着科学技术的发展，传统的机械镊子面临着精度低、接触性损伤等缺点，很难满足科学实验的需要。因此科学家们就开始在新的领域进行探索，于1986年诞生的“光镊”（Optical Tweezers）就是现在已经广泛应用于生物医学、物理等领域的“新型镊子”。科学家们可以用光来夹东西，通常是一些我们肉眼看不见的细胞或者是微粒，是不是很有趣呢？

　　2018年诺贝尔物理学奖的评选又一次让这一项年轻的技术展现在大家眼前，来自美国的物理学家、光镊的发明者阿瑟?阿什金（Arthur Ashkin，1922）与其他两位光学领域的科学家共同分享了这一荣誉。那么光镊到底是什么，它又是如何出现的呢？

Figure 2 2018年诺贝尔物理学奖获得者阿瑟·阿什金（左）

　　1.光镊的发明史

　　从前开普勒（Johannes Kepler，1571—1630）望着天空，观察行星的运动规律时，发现彗星的尾巴都是远离太阳的，这让他十分好奇并潜心研究，终于造成这一现象的原因时是太阳排斥彗头的物质，这是首次对辐射压力存在的正确预言，并于1619年发表了《彗星论》介绍了这一发现。

Figure 3 开普勒发现彗星尾巴总是远离太阳

　　而在19世纪麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831?1879）创建麦克斯韦电磁理论，并首次提出光是电磁波，他同时还预言：光射到物质表面时，将对这一表面施加压力[1]。终于在1901年，俄国物理学家列别捷夫（Pyotr Nikolae，1866-1912）用聚焦的灯光照明扭秤上的反射镜首次实验观测到了光的辐射压力[2]。

Figure 4 麦克斯韦与麦克斯韦电磁感应定律
Figure 5 列别捷夫与测量光压实验

　　然而由于当时的实验设备不足以产生足够高能量、高质量的光束，“光压”这一概念始终只是存在于科学家的设想之中，终于在1960年梅曼（Theodore Harold "Ted" Maiman，1927–2007）发明了第一台红宝石激光器[3]，可以生成单色性好，亮度高，方向性好的新型光束。激光器的发现极大推动了当时光学研究的发展，也就是在这时，1970年阿什金进行了双光束捕获实验[4]并在1986年实现了单光束对粒子的三维捕获[5]。1986年的成果使他获得了2018年的诺贝尔物理学奖。

Figure 6 梅曼与红宝石激光器
Figure 7 阿什金与光镊实验原理图

　　2.光镊的实现

　　就在梅曼发明激光器十年后，1970年阿什金将激光聚焦于水中，放入了直径为0.6-2.5微米的塑料微粒，发现离子沿着光的传播方向被推动，同时发现靠近光束的也会被横向吸入光束中，然而用折射率小的液滴或者气泡时会有排斥作用。因此他利用了这一现象将两束反向传播的激光束聚焦于同一处，使他们的轴向推动力相抵消则将一个微粒吸入固定不动的范围中。即“双光束捕获”的雏形。

　　但是双光束捕获并不是我们所说的光镊，1986年阿什金更进一步，利用横向和纵向的光学力（梯度力和散射力）将粒子束缚在光强最大的地方，当粒子偏移中心点一定范围内会有与距离成正比的力将粒子重新拉回到中心位置，成功实现了使用单束光束把粒子束缚在了三维有限空间（光学势阱）中，之后经过多位科学家的不懈努力相继发明了双光阱、多光阱等技术，光镊也在一步步趋于多样化与实用化。

Figure 8 光学势阱将粒子束缚在光强最大处

　　如图是用2x2的光阱阵列来捕获聚苯乙烯小球，可以通过多种技术来生成不同的光场从而进行不同的捕获行为。

　　现如今，随着科学技术的进步，光镊技术也广泛应用于很多领域之中，例如在生物医学方面可以通过控制聚苯乙烯小球来对生物大分子（如DNA分子）的操作[6]，与显微技术结合可以将微粒（大肠杆菌）进行控制成像[7]等等。

Figure 9 光镊通过捕获聚苯乙烯微粒对生物大分子进行操纵
Figure 10 全息光镊与超分辨成像技术的结合

　　参考文献：

　　1. J. C. Maxwell, A treatise on electricity and magnetism[M].Vol.1.1881:Clarendon press.

　　2. P. Lebedev.Experimental examination of light pressure[J]. Nuovo Cimento,1883,15(195),195.

　　3. T. H. Maiman.Stimulated Optical Radiation in Ruby[J]. Nature,1960,187,493.

　　4. A. Ashkin. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure[J].Physical review letters,1970,24(4),156.

　　5. A. Ashkin,J.M.Dziedzic, J.E.Bjorkholm, et al. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles[J]. Optics Letters,1986,11(5),288-290.

　　6. J. R. Moffitt, Y. R. Chemla, S. B. Smith, et al. Recent Advances in Optical Tweezers[J]. Annual Review of Biochemistry,2008,77(1),205-228.

　　7. R.Diekmann,D.L.Wolfson,C.Spahn,et al. Nanoscopy of bacterial cells immobilized by holographic optical tweezers[J].Nature Communications,2016,7,13711.