光鑷技術(shù)由來已久，阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin ）在1986年就發(fā)明了第一代光鑷。經(jīng)過30多年的發(fā)展，光鑷技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，并應(yīng)用在生物學(xué)、物理學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。這里我們將盡量通俗地介紹光鑷的原理。

光鑷，簡(jiǎn)單來講，就是用激光來俘獲、操縱、控制微小粒子的技術(shù)。這微小粒子可以是小水珠，活細(xì)胞，生物大分子等。當(dāng)激光打到小粒子的時(shí)候，粒子就被光“吸住”了，并且會(huì)被吸到光強(qiáng)最強(qiáng)的地方，也就是焦點(diǎn)處，移動(dòng)光束，就可以移動(dòng)粒子。

那么，粒子為什么會(huì)被吸到光強(qiáng)最強(qiáng)的地方并被束縛住呢？

光與物質(zhì)是可以相互左右的。一柱水噴我們身上，或者一陣風(fēng)迎面吹來，我們都能感覺到些許壓力，具有波粒二象性的光自然也一樣會(huì)對(duì)我們產(chǎn)生壓力，只不過這個(gè)力很小很小而已，這就是光壓。而在某些情況下，光還能對(duì)物體產(chǎn)生拉力，這樣就形成了能束縛粒子的一個(gè)“陷阱”，通常被稱為勢(shì)阱。那么勢(shì)阱又是如何產(chǎn)生的呢？我們需要先來復(fù)習(xí)一些中學(xué)的物理知識(shí)---動(dòng)量守恒定律。

如圖，有兩個(gè)小球，銅球有一個(gè)初速度，動(dòng)量為p1，鋼球則是靜止的，動(dòng)量為p2=0。把這兩個(gè)小球看作一個(gè)系統(tǒng)，那么這個(gè)系統(tǒng)的初始動(dòng)量就是p=p1+p2。

銅球撞上鋼球后，它們各自的速度都發(fā)生了變化，動(dòng)量也變了。但是系統(tǒng)的動(dòng)量是不變的，還是等于p，這就是動(dòng)量守恒定律。

我們回來看光束和透明小球組成的系統(tǒng)，如圖，光束有一個(gè)動(dòng)量，而小球則是靜止的，動(dòng)量為0，而光束的動(dòng)量是水平的，系統(tǒng)在豎直方向上的動(dòng)量為0.

當(dāng)光束照射到小球但不通過中心的時(shí)候，小球會(huì)使光線折射，如圖。

這時(shí)光束在豎直方向上有了一個(gè)向下的動(dòng)量。為了使系統(tǒng)的動(dòng)量守恒，小球必須有一個(gè)向上的動(dòng)量，這個(gè)動(dòng)量就把小球“吸”向光速的軸線。

如果小球在光束的軸線上但在焦點(diǎn)之外，那小球就會(huì)使光束匯聚，如圖。

匯聚的光束會(huì)使它的動(dòng)量比原來的大，此時(shí)需要小球有一個(gè)反向的動(dòng)量，這樣才能使系統(tǒng)的動(dòng)量守恒，這個(gè)反向的動(dòng)量就把小球拉回焦點(diǎn)。

如果小球在光束的焦點(diǎn)以內(nèi)，則會(huì)使光束擴(kuò)散，如圖。

擴(kuò)散的光束動(dòng)量會(huì)比原來小，為了使系統(tǒng)動(dòng)量守恒，小球需要有一個(gè)同向的動(dòng)量，這個(gè)動(dòng)量就把小球推向焦點(diǎn)。

就這樣，只要小球偏離了焦點(diǎn)，都會(huì)有一個(gè)動(dòng)量使它回來，就像一個(gè)陷阱一樣，把小球束縛住。我們移動(dòng)光束，也就可以控制小球了，就像一個(gè)鑷子。這就是光鑷的基本原理。