自然子刊：激光镊子捕获透明物体成为可能

江苏激光联盟导读：

科学家们开发出了反馈控制光镊的概念。

我们可以用手指检测水果和蔬菜的质量和新鲜度，甚至工业机器人已经在触觉应用上成功运行多年了。但是，如何才能抓取和旋转只有头发那么细的物体呢?来自Freiburg大学微系统工程系的教授Dr. Alexander Rohrbach和他的团队已经在《Nature Communications》杂志上发表了关于这个问题的研究。

他们的工作表明，有一天，几种由高度聚焦的激光制成的光镊将能够以可控的方式捕获细胞簇，并将它们旋转到任何想要的方向。这将允许对像微型肿瘤这样的微小物体在显微镜下进行更具体的研究。

工作原则。OFI跟踪的设置示意图和原理。由近红外（NIR）激光束照明的空间光调制器（SLM）在焦平面（FP，红色）周围产生多个光学陷阱，这些光学陷阱通过两个透镜（DL和L）远心成像到CCD相机上。b FP-a细胞簇或珠子内的物体散射聚焦光，导致摄像机处强度Idn（bn）Idn（bn）的重新分布，这对物体相对于光束中心的位置编码。矢量tn表示捕集器相对于FP中心的位置。底部:由8个光学陷阱捕获的170μm大细胞群的亮场图像(由8个绿色十字架标记)。c盲和非盲光阱。一个扩展的刚性物体(盲)被三个不稳定的光阱捕获。根据ofi信号对焦点位置进行调整后，捕获变得稳定(非盲捕获)。物体旋转通过移动激光焦点，使捕获不稳定再次(盲或挫折捕获)。来源：DOI:
10.1038/s41467-021-27262-z

用激光做成的手指

在实验室中，“抓取手指”即光镊，它是由高度聚焦的激光产生的。光镊的独特优势在于，与机械镊不同，即使是在抓取透明物体时，光镊也能施加力或扭矩。

生物标本的定位与定位。

多年来，计算机全息光镊一直被用于控制多个光抓指在三维空间中的同时位置，它能够将激光光按像素进行任意和成倍的聚焦。这种方法已经在研究实验室中存在了近20年，但无法对更大的物体施加力和力矩，即直径大于约1/10毫米的物体。光镊遇到了困难，因为物体太大和迟缓，无法在水溶液中以任意和稳定的方式旋转，因为光镊不是不够强，就是找不到一个好的抓取位置，因此滑掉了。值得注意的是，它们之所以没有找到最佳的抓取位置，是因为它们根本没有去寻找，而是盲目地抓取，依赖于研究人员试图定位光镊的能力。

非盲光镊的概念

“非盲镊子可以通过测量和分析散射在物体上的光来看到它们要抓的东西，”Rohrbach解释说。“我们用眼睛看到各种各样的物体，是因为阳光或室内光线被散射到它们上，并在我们的视网膜上复制。”激光镊子可以抓住透明的物体。但是，科学家们在显微镜下研究的微型肿瘤细胞团或小型苍蝇胚胎等生物研究对象，并不是完全透明的，而是像浴室窗户上的磨砂玻璃一样，光线在透射后呈漫反射，很难分析。

6个光阱中6个粒子三维位置信号的生成。

观察镊子到达哪里的新概念是在物体后面的快速相机上分析离焦的激光散射光，这是一个反馈信号。相机上单个光镊的光斑越不对称，焦点处的光就越分散，导致物体中各点的折射率变化越大。这些点是光学镊子可以有效抓住物体的点。就物理学而言，物质偏振的局部变化会导致光偶极子力的增加。

计算相机平面的干涉强度。

根据Rohrbach关于定位最佳捕获位置的原理，令人震惊的是光的散射——也就是动量的变化——直接在激光焦点上比在焦点前面或后面强得多。大约5到10个光镊中的每一个都应该根据散射光感受最佳的抓取位置，以使物体向不同的方向旋转。但是，如果其中一只镊子用力过大，其他的镊子就会失去抓地力。Rohrbach说:“这是一个非常复杂的优化问题，我们将在未来几年里苦苦思索。”他的设想是，在成功的情况下，非接触式样品保存原理将被集成到未来的显微镜中。

非均匀介质模拟OFI扫描。

来源：Towards non-blind optical tweezing byfinding 3D refractive index changes through off-focus interferometrictracking, Nature Communications (2021).
DOI:10.1038/s41467-021-27262-z

江苏激光联盟陈长军原创作品！