王京 1,2刘博 1,2刘坤香 1,2陈福原 1,2李备 1,2,*
作者单位
摘要
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室,长春 130033
2 中国科学院大学,北京 100049
在深海原位环境下精确捕获和收集单个目标微生物是当前深海微生物研究中的一大挑战。设计了一个应用在深海环境中的光镊捕获系统方案,系统包含光镊模块、微流控芯片、耐压外罩等部分,可实现原位捕获收集深海微生物。建立了位于南海北纬18°附近,1.5 km深处的海水折射率模型,预估了深海对光镊系统激光功率的损耗。使用T矩阵法计算对比了光镊在深海中和陆地上的纯水中对不同折射率和不同大小的球形微生物的捕获力。结果表明,相比于纯水中,光镊在1.5 km的深海中的最大轴向捕获力平均降低了25%,最大横向捕获力平均降低了20%。本研究可为未来基于光镊技术开发的深海微生物分选设备的下海实验提供参考。
光镊 光镊捕获力 T矩阵法 深海环境 深海微生物 海水折射率 Optical tweezers Optical tweezers capture force T-matrix Deep-sea environment Deep-sea microorganisms Refractive index of seawater 
光子学报
2024, 53(2): 0214001
徐孝浩 1,2高文禹 1,2李添悦 3,4邵天骅 3,4[ ... ]姚保利 1,2,*
作者单位
摘要
1 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室,陕西 西安 710119
2 中国科学院大学,北京 100049
3 南京大学固体微结构物理国家重点实验室,南京大学物理学院,江苏 南京 210093
4 南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心,江苏 南京 210093
5 浙江大学光电科学与工程学院,浙江 杭州 310027
光学超构表面凭借其小型化集成化的优势和对光场出色的调控能力,近年来已被深入应用于光学微操控技术研究,这标志着该交叉领域进入了新的发展阶段。特别地,由于超构表面的尺寸在亚波长级别,具有被光场驱动从而产生机械运动的潜力,这一特性为新一代光驱动的人工微机器人提供了重要的理论基础和技术支撑。本文依次从光学微操控的基本原理和超表面的相位机制出发,详细回顾了基于超构表面的多种微操控器件,包括超构表面光镊、多功能微操控系统、超构机械等,并结合微纳结构的拓扑光学性质,对拓扑光操控等新奇效应进行了探讨。最后,本文展望了超构表面微操纵技术的未来发展方向和目标。
超构表面 光学微操控 光镊 光子力学 
光学学报
2024, 44(5): 0500001
钟航 1陈钧 1,*陈骏 1廖俊生 2,**
作者单位
摘要
1 表面物理与化学重点实验室,四川 绵阳 621908
2 中国工程物理研究院材料研究所,四川 绵阳 621907
光学捕获经过近几十年的发展,从光学悬浮到紧密聚焦的单光束光镊再到最近发展的多种类型的光学阱,已经可以捕获包括碳、金属氧化物、花粉、孢子、无机/有机液滴等多种不同类型的粒子,结合拉曼光谱、腔衰荡光谱或激光诱导击穿光谱可以获取悬浮微粒在原生状态下的物理和化学信息,并可以实现受控气氛环境下单粒子的化学反应研究。首先,本文根据微粒的吸光性对空气中微粒的光学捕获力的来源进行了介绍,透明微粒主要受辐射压力的作用,吸光微粒主要受光泳力的作用;然后,根据光学捕获力的不同对单光束、双光束、高斯光束和空心光束等光学捕获设计进行分类介绍;最后,综述了光学捕获与光谱技术结合起来用于单粒子研究的最新进展,并讨论了光学捕获拉曼光谱面临的挑战。
光谱学 光镊 光学捕获 单颗粒 气溶胶 
中国激光
2024, 51(3): 0307303
作者单位
摘要
1 西北农林科技大学 理学院,杨凌712100
2 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子国家重点实验室,西安 710119
为了实现粒子的非轴向旋转操控,对圆偏振涡旋光的光致旋转特性进行了研究。理论上,利用T矩阵理论,计算光场作用于微粒的光力和力矩,分析圆偏振涡旋光场中自旋角动量和轨道角动量的取向对非轴向旋转效应的影响。研究结果表明:当轨道角动量和自旋角动量的方向相同时,粒子除受轨道矩和轴向自旋矩作用外,还受一个可观的横向自旋矩作用,可以诱导粒子同时做轨道和非轴向自旋运动;当轨道角动量和自旋角动量方向相反,则粒子受到的横向自旋矩难以驱动其做非轴向自旋运动。实验上,利用全息光镊系统捕获微米尺度的粒子,观察到粒子做轨道运动时的非轴向自旋现象,对理论研究结果进行了初步验证。
全息光镊 涡旋光束 光致旋转 非轴向自旋 横向自旋角动量 Holographic optical tweezers Vortex beam Optically induced rotation Non-axial spinning Transverse spin angular momentum 
光子学报
2023, 52(11): 1126001
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Modern Optics, Tianjin Key Laboratory of Micro-scale Optical Information Science and Technology, Nankai University, Tianjin 300350, China
2 Nanophotonics Research Centre, Institute of Microscale Optoelectronics & State Key Laboratory of Radio Frequency Heterogeneous Integration, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China
Cell identification and sorting have been hot topics recently. However, most conventional approaches can only predict the category of a single target, and lack the ability to perform multitarget tasks to provide coordinate information of the targets. This limits the development of high-throughput cell screening technologies. Fortunately, artificial intelligence (AI) systems based on deep-learning algorithms provide the possibility to extract hidden features of cells from original image information. Here, we demonstrate an AI-assisted multitarget processing system for cell identification and sorting. With this system, each target cell can be swiftly and accurately identified in a mixture by extracting cell morphological features, whereafter accurate cell sorting is achieved through noninvasive manipulation by optical tweezers. The AI-assisted model shows promise in guiding the precise manipulation and intelligent detection of high-flux cells, thereby realizing semi-automatic cell research.
AI algorithm cell identification and sorting optical tweezers microfluidic chip 
Chinese Optics Letters
2023, 21(11): 110009
Author Affiliations
Abstract
1 Université Paris-Saclay, Institut d’Optique Graduate School, CNRS, Laboratoire Charles Fabry, 91127 Palaiseau, France
2 Laboratoire d’Optique et Biosciences, Ecole Polytechnique, CNRS, INSERM, Université Paris-Saclay, 91128 Palaiseau, France
3 Université Paris-Saclay, Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay, CNRS, CentraleSupélec, LuMIn, 91190 Gif-sur-Yvette, France
Mechanical forces play an important role in the behaviour of cells, from differentiation to migration and the development of diseases. Optical tweezers provide a quantitative tool to study these forces and must be combined with other tools, such as phase contrast and fluorescence microscopy. Detecting the retro-reflected trap beam is a convenient way to monitor the force applied by optical tweezers, while freeing top access to the sample. Accurate in situ calibration is required especially for single cells close to a surface where viscosity varies rapidly with height. Here, we take advantage of the well contrasted interference rings in the back focal plane of the objective to find the height of a trapped bead above a cover slip. We thus map the viscous drag dependence close to the surface and find agreement between four different measurement techniques for the trap stiffness down to 2 μm above the surface. Combining this detection scheme with phase contrast microscopy, we show that the phase ring in the back focal plane of the objective must be deported in a conjugate plane on the imaging path. This simplifies implementation of optical tweezers in combination with other techniques for biomechanical studies.
Optical tweezers Optical micromanipulation Optical trapping 
Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2023, 19(1): 2023026
Author Affiliations
Abstract
1 Shenzhen University, Institute of Microscale Optoelectronics and State Key Laboratory of Radio Frequency Heterogeneous Integration, Nanophotonics Research Center, Shenzhen, China
2 Research Institute of Intelligent Sensing, Research Center for Humanoid Sensing, Zhejiang Lab, Hangzhou, China
3 Delft University of Technology, Optics Research Group, Delft, The Netherlands
Nonlinear responses of nanoparticles induce enlightening phenomena in optical tweezers. With the gradual increase in optical intensity, effects from saturable absorption (SA) and reverse SA (RSA) arise in sequence and thereby modulate the nonlinear properties of materials. In current nonlinear optical traps, however, the underlying physical mechanism is mainly confined within the SA regime because threshold values required to excite the RSA regime are extremely high. Herein, we demonstrate, both in theory and experiment, nonlinear optical tweezing within the RSA regime, proving that a fascinating composite trapping state is achievable at ultrahigh intensities through an optical force reversal induced through nonlinear absorption. Integrated results help in perfecting the nonlinear optical trapping system, thereby providing beneficial guidance for wider applications of nonlinear optics.
nonlinear optical tweezers optical force reverse saturable absorption 
Advanced Photonics
2023, 5(4): 046006
张皓铭 1,2熊威 1,2韩翔 1,2陈鑫麟 1,2[ ... ]罗晖 1,2
作者单位
摘要
1 国防科技大学 前沿交叉学科学院,湖南 长沙 410073
2 国防科技大学 南湖之光实验室,湖南 长沙 410073
悬浮光力传感技术利用真空环境的光阱实现对微纳尺度机械振子的悬浮和囚禁,将待测物理量转换为光悬浮机械振子运动参数的变化,理论上该振子与外部环境热噪声和振动完全隔绝,具有极高的测量分辨率潜力和易于小型化的独特优势。该技术在精密测量、微观热力学研究、暗物质观测、宏观量子态操控等领域具有广阔的应用前景。首先,阐述了悬浮光力系统中光力与光阱的基础概念和力学测量等基本理论;其次,介绍了其中初始起支、光力增强、位移测量、输出信号标定和等效反馈冷却等关键技术的研究进展,对比分析各子技术的特点,随后列举了悬浮光力传感技术在极弱力、加速度、微观质量、电学量、力矩等物理量测量中的典型应用;最后,总结了该技术的发展趋势,并提出相关建议。
悬浮光力学 量子传感 光阱 精密测量 levitated optomechanics quantum sensing optical tweezers precision measurements 
红外与激光工程
2023, 52(6): 20230193
作者单位
摘要
1 中国科学院上海高等研究院国家蛋白质科学研究(上海)设施,上海 201210
2 复旦大学上海医学院脑科学转化研究院,上海 200032
光镊采用聚焦的激光束束缚微米、纳米级的粒子,具有亚皮牛级的力分辨率和亚毫秒级的时间响应,在单分子生物物理中具有广泛的应用。通过化学耦链将生物大分子连接到高分子微球上,光镊可以测量大分子的伸长以及受力,进而研究DNA‐蛋白质相互作用、蛋白质折叠及分子马达机械化学性质等动态过程。简要介绍光镊的基本原理和常见的单分子光镊几何构型,并以双光镊为例,介绍如何设计和搭建光镊设备、所涉及的技术原理、稳定性与降噪处理方法以及分辨率测试方法。以国家蛋白质科学研究(上海)设施的双光镊实验装置为例,论述双光镊在单分子生物物理中的应用及进展。最后,对单分子光镊技术的发展前景作出展望。
生物光学 双光镊 单分子 蛋白质折叠 分子马达 光学力 
中国激光
2023, 50(15): 1507402
作者单位
摘要
深圳大学物理与光电工程学院,射频异质异构集成全国重点研究实验室,光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室,广东 深圳 518060
面向生物粒子操控方法的研究,在生物医学和生命科学等领域具有重要意义。光镊操控具有无接触与高精度的特点,已被广泛应用于多个领域的研究中。然而,传统光镊的光热效应以及衍射极限都制约着光镊在生物医学领域的更广泛应用和发展。近十年来,研究者们将光热效应化劣势为优势,利用光与热的耦合效应实现了多种粒子的精确捕获及操控,即光致温度场光镊(OTFT)。由于此种新型光镊对光能的利用率极高,能量密度低于传统光镊近3个数量级,并可实现颗粒的大范围操控,极大地拓展了光镊可操控粒子的种类,已经成为纳米技术以及生命科学领域的重要研究工具。温度场光镊仍面临诸多问题,例如对于颗粒界面调控的依赖性以及三维捕获受限等,尤其是在生物光子学的研究中,还需要进一步发展和优化。本文对光致温度场光镊操控基本原理及其在生物医学中的应用两个方面进行了系统阐述,并对其今后的发展与挑战进行了展望。
光镊 光热镊 光流控 光热效应 微流控 生物传感器 
光学学报
2023, 43(14): 1400001

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