1. 物理基础：光的动量与光压
理解光镊的起点是认识到光不仅具有能量，还具有动量。
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单个光子的动量： p=hλp=λh，其中 hh 是普朗克常数， λλ 是光的波长。
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光压： 当光子被物体吸收或被反射时，根据动量守恒定律，光子的动量会转移到物体上，对物体产生一个微小的作用力，即“光压”。牛顿最早在理论上预言了光压的存在。
在光镊中，激光束中的光子流与微粒发生相互作用（主要是散射和折射），持续地将动量传递给微粒，从而产生净作用力。
2. 核心机制：梯度力与散射力
当一束激光照射到一个透明介电小球上时，会产生两种主要的力。理解这两种力的平衡是理解光镊捕获原理的关键。
a) 散射力
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来源： 光子与微粒发生弹性散射（瑞利散射或米氏散射），其动量方向发生改变。动量改变意味着微粒受到了一个反冲力。这个力的方向与光的传播方向一致。
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效应： 散射力倾向于将微粒沿着光传播的方向推开。对于一个简单的平行光束，散射力会将微粒推向光束下游。
b) 梯度力
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来源： 当光强在空间上分布不均匀时（例如，被透镜聚焦后），处于光场中的介电微粒会被极化，形成一个电偶极子。这个偶极子倾向于移动到光强最强的区域，以使其电磁能最低。这个原理类似于将一个铁屑放在磁铁附近，它会被吸引到磁场最强的区域。
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效应： 梯度力的方向指向光强梯度最大的方向（即指向光斑中心）。对于一个高度聚焦的光束，其焦点处光强最强，因此梯度力会将微粒拉向焦点中心。
3. 光阱的形成：两种力的平衡
光镊的核心技术在于使用一个高数值孔径的物镜将激光束高度聚焦，形成一个非常小的、光强极高的焦点。
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三维捕获的实现：
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横向捕获： 在焦平面（XY平面）上，光强呈高斯分布，中心最亮。因此，梯度力从四周指向光斑中心，将微粒稳定在中心位置。散射力则沿光轴方向。
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轴向捕获： 在光轴方向（Z轴），聚焦光束的光强分布呈纺锤形，焦点处光强最大。因此，在焦点之前，光强梯度向前，梯度力向前；在焦点之后，光强梯度向后，梯度力向后。无论微粒在焦点的前方还是后方，梯度力总是将它拉回焦点。
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关键平衡： 为了实现稳定的三维捕获，必须确保轴向的梯度力能够克服向前的散射力。这通过使用高数值孔径物镜来实现：
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高NA物镜能产生非常大的轴向光强梯度，从而产生强大的轴向梯度力。
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同时，高NA意味着聚焦光锥的角度很大，使得大部分入射光的方向与光轴有较大夹角。这些倾斜光线的散射力分量在轴向上可以部分抵消，甚至与轴向梯度力协同作用，将微粒稳定在焦点下方稍后的位置。
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最终，在焦点处形成一个稳定的三维势阱，就像一个“陷阱”，微粒被牢牢地束缚在其中。
4. 技术实现要点
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激光源： 通常使用近红外激光（如1064 nm Nd:YAG激光）。选择近红外是为了最大限度地减少对生物样品（如水、蛋白质、DNA）的光吸收和热损伤。
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高数值孔径物镜： 这是光镊系统的“心脏”，它决定了光阱的捕获效率、刚度和空间分辨率。
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位移操控： 通过移动激光束本身（例如使用声光偏转器或振镜），可以改变光阱在空间中的位置，从而拖动被捕获的微粒进行复杂运动。
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力测量： 光镊不仅是一个操纵工具，更是一个精密的力传感器。其原理是：
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光阱刚度： 对于微小位移，光阱对微粒的作用力与位移成正比（类似胡克定律的弹簧），F=−k⋅ΔxF=−k⋅Δx，其中 kk 是光阱刚度。
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位移探测： 通过探测微粒偏离光阱中心的位移（通常用另一束弱激光或捕获激光本身的后向散射光，通过象限光电探测器来测量），就可以精确计算出光所施加的力。现代光镊的力分辨率可达飞牛级别（10⁻¹⁵ N），位移分辨率可达纳米甚至亚纳米级别。
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