一种基于涡旋对光束的光镊系统

光镊技术是一类利用光来实现对微粒（如细胞）操纵的光学系统，对于捕获微小粒子、测量微小作用力及生产微小器件等方面具有重要意义，可用于生物医学、微纳加工等领域。

最初的光学操纵是利用基模高斯光束的梯度力实现，后来一些新的结构光场也被利用到光学捕获操作，例如拉盖尔高斯光束的涡旋光束。但是，由于涡旋光束在传输的过程中带有轨道角动量，微粒会在光亮环上不可控地公转，难以实现对微粒的稳定操纵。另外，早期的光镊捕获的对象通常是球形的微粒，若想实现单一光束对多粒子或者非球形微粒如棒状微粒等进行可操控的捕获时，通常存在光学装置复杂、操作难度大、可控性不高等缺点。

光镊技术发展至今二十多年来，相关技术主要由美国、日本、德国等国家的企业所主导，国内主体申请光镊技术的专利相对较少。但国外公司推出的光镊系统产品存在价格昂贵、功能固定、不便改进等问题。一般实验室自行搭建简单的单光束光镊，但大多存在系统设计冗余、光路松散、占用空间大和系统稳定性差等缺点。

研究团队设计实现了基于单一涡旋对光束的光镊系统。该技术通过加载到空间光调制器产生不同涡旋对光束光强分布，从而在某一方向上捕获两个微粒的同时捕获，通过涡旋对光束参数实现捕获的两个微粒相对位置的精确调控和定位。该技术还可实现对棒状微粒的定向，以及在平面内速度精准可控的旋转操作。这样的操纵使得该光镊系统的应用对象更加丰富，有效解决传统光镊无法对所捕获的球形粒子进行位置调控，无法实现对长条形等特殊结构的微粒实现定向转动等诸多问题。

图1光镊系统示意图（左上为涡旋对光束的聚焦）

图2光镊捕获长条形微粒实际效果

该光镊系统的应用对象比传统光镊系统更加丰富，有效解决传统光镊无法对所捕获的球形粒子进行位置调控，无法实现对长条形等特殊结构的微粒实现定向转动等诸多问题。

本成果的模块化设计使得系统稳定性高，兼容性好，可以很好地与荧光显微成像等技术结合，在生物细胞操控、靶向药物研发、细胞成像、微纳加工等领域发挥重要作用。