声光偏转器的基本原理与关键特点
当前激光的用途十分广泛，各种类型的激光已经被充分应用于记录、检测/测绘/显示/加热/控制/通信/医疗等领域，渗透进日常生活，科学研究，医学临床，工业生产，航空航天及军事应用的方方面面。这一切，离不开激光调制和偏转技术的发展。而其中，利用声光效应的器件起到了极大的作用。与检流计振镜等机械式器件相比，利用声光效应的器件具有无振动，高稳定性，无躁声，寿命为半永久的等特点。与电光控制器件相比，在温度稳定度和消光比方面有其优越性。为了能够通过电路信号对激光的方向进行控制并缩短反应延迟，实际应用中多使用声光偏转器（AOD）对激光方向进行操控。
一. 基本原理
如果在透明玻璃和晶体等超声媒质中产生超声波，会引起周期性的折射率变化而成为相位型衍射栅，如果让激光束入射到超声媒质中，激光束就产生衍射，衍射光的强度和方向随超声波的强度和频率的状态而变化。这就是超声波与光的相互作用，即声光效应。该效应就是声光调制器和声光偏转器的工作原理。
声光效应的衍射分为拉曼-奈斯衍射与布拉格衍射，由于拉曼-奈斯衍射效率较低，所以多采用布拉格衍射，基于布拉格衍射的声光调制器是使零级光或一级光的强度随调制信号而变化的调制器。设入射激光束的强度为I时，一级衍射光的强度I1为
I1=
如图，除未偏转的零级光以外只产生下式所示的一级衍射光 
如使Λ，即超声波的波长变化，一级衍射光的方向则发生变化。这就是声光偏转器的原理。设超声波的传播速度为v，频率为 f 时，存在如下关系
将式 (3) 代入式 (2)，则得
超声波的频率从变到的光束的偏转角为
声光调制器与声光偏转器无本质差别，超声波的频率保持恒定而衍射光的强度发生变化的则为声光调制器；超声波的频率发生变化，衍射光的强度始终保持一定而其方向发生变化的就是声光偏转器。因此，用一个器件就可 以实现声光调制器和声光偏转器的工作。实际上，当前多数器件都是具有这两项功能的器件。
二. 关键特性
声光偏转器的驱动频率与一级衍射光强度的关系一般如图所示，
在中心频率两端，1级衍射光强度下降。其原因是换能器的频率特性和布喇格条件的偏离所引起的。如果用1级衍射光强度从最大值下降到一恒定值的频率和定义频带宽度
由式(4)可知，偏振角
比如，设λ = 0.515μm ，= 70MHz，= 40MHz ，v= 3.4km/s，那么=rad。该偏转角比旋转镜和电流计等机械式偏转器小2个数量级。因此，其频率变化带来的偏转角度的变化的步进会更加精细，例如超声频率的分辨率为1Hz的话，那么对应可控制激光角度的分辨率就是4.54X10-3/30MHz=1.51X10-10rad=0.151nrad，如果作用在100微米的距离上，那么1Hz的位置步进为100/30MHz=0.003nm，即1Hz对应0.003nm，对应0.151nrad。而同等情况下，0.1urad=100nrad则对应2nm。0.003nm的极限分辨率远远优于基于振镜技术的2nm的步进分辨率。因此，对于光镊来说AOD激光控制是进行精细力学实验的理想技术。
用声光偏转器使光偏转时，光点在任意两点间移动所需的最小时间就称为存取时间，它由横穿光束的超声波的传播时间确定。即，设媒质中的光束直径为D、超声波速度为v，存取时间则为
由式(8)与式(13)可知，偏转和高分辨率存在相反的关系，在应用声光偏转器中当然应充分考虑。目前试市场上已经有切换频率达100KHz甚至200KHz的高性能声光偏转器可用，其极好的平衡了在不同方面的性能表现和应用需求，并在需要高精度光斑定位的激光操控与测量设备中被验证其优越的性能。
光镊技术及其主要应用
高度聚焦的激光会在焦点中心形成一个势能梯度中心，称之为势阱或光阱。透明的球形微粒会被光阱在三维空间中捕获，从而进行操控、排列与微小力的测量。此光学过程也可以用右图中粒子的受力来简单解释。
更复杂一点的情况是光折射的梯度力与光散射力以及粒子本身的重力与浮力共同平衡，并在限制粒子的布朗运动后实现3D捕获操控。
在这一节中，我们将概述光镊和光力在液体环境中的一些最新应用。粒子的非接触操纵促进了光镊在许多研究领域的应用。在此，我们描述了光镊在生物学、微气泡处理、手性光学力学、纳米技术、光学结合、光谱学、临界卡西米尔力、随机热力学和活性物质等方面取得进展的一系列系统。
4.1 红细胞的机械性能
光镊在生物科学领域有着广泛的应用，从单分子研究到细胞生物物理学。在本节中，我们将考虑一个特别成功的应用，即红细胞力学和弹性性质的研究和测定。在光镊使用的早期，Ashkin等人证明了利用红外激光束造成的光损伤可以捕获红细胞(和许多其他生物物种)。随后的实验旨在测定红细胞的机械性能，这两种方法都采用了直接法-诱捕法，或将光学捕获的微珠作为“手柄”，间接施加于细胞上的力。第一种方法具有设置和样品制备简单的优点，第二种方法中应用的力的校准更加直接。
H’enon等人在校准的光学阱中使用微珠手柄拉伸细胞，试图测定红细胞膜的剪切模量。在天然的细胞和渗透膨胀成球形的细胞上进行了实验，这为变形几何提供了一种代数解法。在这两种情况下应力低于15 pN的线性(增加力)变形细胞观察,产生的剪切模量µ= 2.5±0.4µN•m−1。在较高的外力作用下，单元进入非线性变形状态。后来，Dao等人在一个能够施加高达340pN的系统中使用了相同的实验几何。这些实验是辅以模拟计算,表明在较高的外加应力观察50%的变形,膜剪切模量可能高达µ= 11.1 µN•m-1。
Bronkhorst等人的研究表明，光镊可以在直接诱捕的情况下，利用三种光学诱捕器组成的直线来“折叠”红细胞，观察其弛豫时间。Liao等人指出，红细胞也可以在直接捕获的情况下被拉伸，使用一束在两个位置之间快速跳跃的光束来抓住细胞。当两个光阱位置之间的距离增加时，细胞沿着连接它们的线被拉长。在这项工作中，用一个二维模型定性地解释了细胞的伸长。之后的理论工作在双镊子拉伸实验中，准确地计算了红细胞表面渗透膨胀成球形的光应力分布及其导致的变形。通过求解动态变形红细胞,也就是说,光形状的变化和再分配压力细胞变形对拉伸状态可以确定薄膜力学性能(杨氏模量和剪切模量)与N-ethylmaleimide之前和之后的处理,会导致细胞可变形性下降。这项工作进一步完善了其天然的双孔圆盘状红细胞。在预测红细胞在光应力作用下的变形时，必须考虑细胞的非线性和粘弹性特性。Raj等人将光镊拉伸与拉曼光谱相结合，发现红细胞在大变形时必须进行结构转变才能承受高负荷。
另一种利用光学力使细胞变形的技术是光学担架。与光镊使用强聚焦激光束不同，光拉伸器使用两束弱发散的反向传播光束来捕获粒子。光应力在被捕获物体表面的分布导致沿光束传播轴的伸长。当通过变形模型进行补充时，光学拉伸器可以以高通量的方式来量化细胞的机械性能，因为细胞通过拉伸在微通道中流动，而不是在光镊中单独捕获。在某些情况下，过度拉伸会导致细胞形状发生不可恢复的变化，形成所谓的“柱状”。
红细胞机械性能的改变与许多因素有关，病理条件和光学镊子已经被用来测试其中的几种，包括疟疾(恶性疟原虫)，糖尿病视网膜病和鸟箭绒视网膜病。类似地，光镊已经被用于显示药物阿托伐他汀软化红细胞膜。
4.2 微气泡
由于气体微泡具有浮力，其折射率低于悬浮介质，光学捕获将面临更艰难的挑战。由于微气泡的相对折射率较低，光学梯度力将它们从激光束的高强度部分击退，因此光学捕获需要其他的策略。一种可能性是使用Laguerre-Gaussian (LG)光束，其环形强度提供了气泡横向约束到光束暗核的条件。在垂直方向上，气泡的位置取决于光学力和浮力之间的平衡，因此LG光束不会形成三维光阱。当在垂直显微镜中实现时，捕获的LG光束向下传播，这是一种“反悬浮”的形式。三维光学捕获需要添加第二个反向传播的中空光束。原则上，结构光如光瓶束也可用于微泡的三维光学捕获。
第二种方法是使用“时间平均”光阱，它是通过扫描微泡周围的聚焦高斯光束而产生的。如果扫描频率足够高，也就是说，如果光束绕着气泡旋转的速度比它扩散的速度快，那么气泡仍然会被困在旋转轴上。这种诱捕方案是在垂直显微镜下实现的，并研究了诱捕力与诱捕光束扫描圆的气泡半径和半径之间的关系和比例关系。对这种结构的光学力的理论分析表明，在各个方向都有足够的光梯度力对气泡提供恢复力，因此它是一个真正的三维光学阱。事实上，轴向梯度力足以限制倒置显微镜光镊中的微泡。
微气泡也能被声场捕获。声阱和光阱的结合在不同的长度尺度上表现出巨大的优势:在光阱用于高分辨率的位置控制之前，声场可用于远程操作。光学阱和声学阱也相互补充，一旦校准，光阱可以用来测量气泡上的声学力。这样的系统可以用来表征单个微泡，特别是其声学响应，以减少平均的不确定性。光学捕获微泡的进一步应用包括对气泡周围气体的拉曼光谱分析，测量微泡壳厚度，并在超声辐射之前将气泡定位在细胞附近。细胞随后可能被微泡的振荡和随后的崩溃所破坏。
4.3 手性光力
手性来自于物体缺乏镜像对称性。一个尺状的物体存在于左旋和右旋的版本(对映体)中，它们不能被嵌入空间内的平移和旋转所叠加。此外，圆偏振光具有手性，其旋向取决于电场对传播轴的旋转感。除了线性动量外，圆偏振光也可以传递自旋角动量。最近，有几项研究考虑了小颗粒上的手性依赖光力，旨在实现对映体的全光分离。手性光与物体的光力学相互作用已经在光镊中进行了研究，这为研究自旋角动量向双折射粒子的传递以及观察自旋依赖光诱导的旋转提供了机会。近年来，超分子手性粒子的手性光学机制在胆甾相液晶(CLC)上得到了广泛的研究。特别是，已经合成了左手CLC固体微粒，光学捕获，并观察到相应的左手环化光的手性旋转。事实上，左旋CLC粒子表现为手性镜子，只反射左旋光，同时保持其旋向。相反，右手性的光不会受到影响。由于角动量守恒，反应转矩从圆极化俘获光束传递到手性微粒。对于低手性体系中的微粒，必须考虑残余双折射对光学转矩的额外影响，才能充分解释俘获束椭圆度可变时俘获CLC微粒的旋转动力学。手性和光学阻滞属性的组合允许更好地控制这些开放视角来研究手性光学分类、激光捕获和冷却的手性介观粒子，基于平移和旋转自由度的耦合,和微腔通过嵌入的手性中心微粒共振纳米颗粒。
4.4 纳米技术应用
在过去的几十年里，许多学者都在致力于将机器微型化到微观尺度，这常常受到生物系统的启发。这种小型化过程对纳米技术的发展至关重要，在这种背景下，光镊因其非接触的流形能力而成为半固态微纳米器件的有效工具。此外，光镊能够应用和检测极小的力和力矩，具有产生驱动纳米机器的潜力。
在纳米尺度，半导体，金属，和混合的胶体粒子被捕获和操纵，为纳米器件和生物分子的组装、表征和光学控制开辟了新令人兴奋的可能性。
纳米设备或微型发动机需要动力来操作和控制。解决这一需求的方法是利用结构光束，携带轨道和自旋角动量(SAM和OAM)，利用全息光镊(HOT)或类似的技术产生。特别是，通过将SAM和OAM转移到微粒上，实现了微罗盘仪和微泵。
另一种驱动纳米器件的方法是模拟热机的工作原理。硅微腔内蒸汽泡的成核已被用于实现几个工作容积仅为0.6 mm3的微型热机。此外，一种微粒子被用作光镊的活塞，实现了一种由周期性产生的空化气泡提供动力的微型蒸汽机。斯特灵和卡诺循环的微观版本已经实现，利用光学捕获粒子来研究它们的随机热力学性质。
最近，还提出了一种由临界溶液的密度波动提供动力的微小颗粒，其中，当光被困在2.6-lutidine临界混合物中时，一个微米大小的粒子围绕光束旋转。该发动机的工作可根据光阱功率、环境温度和混合物的临界状态进行调节。
|
4.5 光学结合
光学结合描述了由于多次光学散射而产生的光学场中大量胶体粒子的自发组织。最早由Burns等人观察到，他们通过显示在横向方向上存在粒子分离的离散值，并在其中形成稳定的结合对，从而在线状焦点上的一对粒子之间建立了一种光学结合相互作用。在这项工作之后，科学家们观察了大量的粒子，这些粒子在许多激光束相交的横向平面上形成的干涉图样中“结晶”。
通过考虑光场的一对偶极子，可以简单地理解光学结合相互作用。考虑平行于激光束传播方向的两个偶极粒子的情况。第一偶极子散射辐射，散射场沿前向传播冲击第二偶极子，但与入射场相位差固定。净效应是修改散射力的大小方向前进,但作为两个字段之间的相位差恒定的力不改变符号,粒子都将在同一方向,第一个会赶上第二。现在，如果我们考虑撞击第一个粒子的场，这些是入射场和被第二个粒子反向散射的场。这些场之间的相位差取决于粒子的相对分离，因此粒子之间的力以符号变化的形式振荡，周期为半个波长。这导致了所观察到的光学结合相互作用和稳定的粒子间分离的存在。
光学结合可以通过大量的位置图实验来实现规划设计。Burns等人最初的实验是利用形状的光场在横向平面上产生光学结合。纵向光学绑定可以通过反向传播的自由空间光束来实现，例如从一对光纤中出现的光束，或者通过反向传播的倏逝场。将激光束以略大于全内反射临界角的角度聚焦到界面上，可产生倏逝场。当来自该光束的辐射压力被反向传播光束平衡时，根据光场结构、粒子大小和光学特性，会形成各种各样的光学束缚结构。在这样的实验中，光学结合结构中粒子的布朗运动，视频跟踪为评估光学力、结构形式和动力学提供了一种强大的技术。
另一种创建消失场的方法是使用具有适当小尺寸的波导。该方案首先使用平面上的通道波导进行演示，其消失的电场可以捕获和驱动微粒子。最近，一种锥形光纤方案已经被证明可以使用单束进行单向传输，并使用反向传播光束进行稳定捕获。锥形光纤由标准纤维制成，使用“热拉”技术将纤维拉至微米或亚微米尺寸，在这种尺寸下，大部分光能被传输到光纤周围的易消散区域。可以对逐渐变细过程，施加高度控制，允许纤维的高级模态选择性激发和对捕获和结合的额外控制程度。
光学结合现象并不局限于介电粒子:银和金的结合和金与金结合，并通过等离子体增强了这种结合力。它也不局限于球形粒子:棒状粒子(碳纳米管束)的结合。在这种情况下，与球形粒子类似，预计会出现多种结合结构。
4.6 光力定位、聚合和光谱学
正如已经指出的，纳米颗粒在激光束焦点上的行为是由梯度力和辐射压力之间的平衡控制的。在常规的捕获测量中，为了将纳米颗粒限制在光阱中，必须将辐射压力降至最低。然而, 许多其它有趣的应用程序可以通过使用按压来增强辐射压力的影响。光力打印就是其中一种应用。通过单光束捕获和金胶体的后续定位，可以实现表面的全光模式。 这个过程可以通过直接利用作用在电浆纳米球共振波长上的强轴向力来改进，这种力将电浆子推向基板。使用辐射压力而不是捕获力来引导粒子朝向基板，避免了对等离子体粒子大小的限制，等离子体粒子的捕获必须不大于直径约200纳米。此外，通过使用空间光调制器，可以将激光束分成几束，从而创建一个光学图形，用于同时控制纳米颗粒在基板上的位置。 在这种情况下，已经证明了表面增强拉曼散射通过在液体环境中金纳米棒(AuNRs)的光学操控，可以在玻璃衬底上生成SERS活性聚合体。事实上，由于它们非常大的消光截面，这些微粒不能被可见光捕获。然而，它们可以被推到样品室的玻璃墙上，在那里它们会撞击并形成热点，在这些热点上稀释的生物分子拉曼光谱可以被强烈增强。该方法将光力打印的巨大优势与直接在液体环境中进行分子光谱检测的能力相结合，是生物灵感研究的理想条件，已经研究了许多生物分子。
首次测量了牛血清白蛋白(BSA)分子，其在水中的拉曼检测限(LOD)已从10−3 M降至5×10−8 M。另一种蛋白质，血红蛋白的浓度低至1 pM，远低于约100 nM的SERS LOD。对苯丙氨酸等氨基酸、溶菌酶、过氧化氢酶等酶的研究结果也有报道。这种分子检测技术也可以通过使用捕获目标生物分子的适配体功能化来实现蛋白质选择性检测。ochratoxin A是一种肾病型真菌毒素，它可能会对代表潜在公共卫生风险的食品和葡萄酒产生污染，其概念验证结果已经获得。通过这种方法,毒素已经检测到在液体环境中浓度低至1µM。
光学定位的AuNRs特别有趣，因为它是一个低成本替代更复杂的石印技术。它的优势是,允许一个简单、快捷的方法来装饰与不平整的金属表面,如三维微观的微米或者纳米结构，得到直接写激光双光子光聚合(TPP)。重新实现混合聚合物等设备,为光谱探针和传感器开辟了道路。
光学定位并不局限于等离子体粒子。利用光学力对六方氮化硼(h-BN)、二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)的纳米进行了操作。虽然弱吸收的氢氮化硼可以被光学捕获，允许在液体环境中直接进行平均薄片尺寸的全光测量，但是由于辐射压力对梯度力的巨大贡献，强吸收的MoS2和WS2纳米薄片不能被限制在光学捕获中。由于随后产生的光学推动效应，这些纳米片可以与BSA一起，在相对较短的时间(几分钟)内，直接在液体环境中的中，在不需要任何特殊表面预处理的情况下，对普通显微镜载玻片进行模式设计。可能的应用领域涉及光子学、光电子学和能量存储中感兴趣的基于纳米薄片的器件的实现，或范德华异质结构，其中不同组成的纳米薄片可以相互叠加。
4.7 临界卡西米尔力
临界卡西米尔力可以在纳米科学和纳米技术中的应用中发挥重要作用，因为它们作为温度的函数，具有皮牛强度、纳米作用范围、精细的可调谐性等特点，以及对所涉及物体表面性质的精细依存关系。 这项工作中，我们通过脉冲式光镊，研究了临界Casimir力对分散在近临界二元液体溶剂中的一对胶体粒子的自由动力学的影响。特别重要的是，我们测量了两个胶体之间距离的时间演化，以确定它们的相对扩散和漂移速度。 此外，我们还展示了临界Casimir力如何通过研究所谓的首次通过时间（即粒子第一次达到某一分离所需的时间）的分布的温度依赖性来改变这种双胶体系统的动态特性。 这些数据与Monte Carlo模拟和Langevin动力学的理论结果吻合较好。
4.8 随机热力学
光镊可以作为一个非常强大的工具来揭示和表征微观和纳米系统的统计特性。 这个领域中布朗噪声和热波动通过引入随机性起着至关重要的作用。 特别是，光学捕获粒子的动力学是由确定性光学力场与布朗运动之间的相互作用引起的，这引入了一个定义良好的噪声背景。 因此，光学捕获粒子可以作为探针来研究统计物理现象，其动力学是由随机和确定性的力量驱动的。在过去的二十年里，光镊一直在纳米热动力学的发展中发挥巨大的作用，研究纳米系统的静态特性以预测纳米物体的性能和性能。 研究结果已经证明，热波动的存在允许在短时间尺度上违反小系统的热力学第二定律，尽管第二定律在普遍条件下仍然有效。
4.9活性物质
近年来，光镊已被证明对活性物质体系的表征和光力与热泳动相互作用的研究具有重要意义。主动物质系统是由具有自推进能力的自然和人工物体构成的系统。由于它们将能量转化为推进力的能力，这些系统表现出群集行为以及由于远离平衡的相互作用而出现的其他集体特性。这种自我推进的行为是由于随机波动(负责布朗运动)和主动游动之间的相互作用，驱使它们进入一个远离平衡的状态。虽然自推进是微机械的一个众所周知的特征，为了寻找营养物质或为了逃离有毒的环境，仍有许多工作致力于实现人工自推进的纳米和微粒子。自推进粒子的两个典型例子是人造Janus粒子和生物细菌，如大肠杆菌，它们都可以用光镊很好地捕获。此外，还可以使用光镊来同步活动粒子的集体行为。特别是，该特性已被用于捕获活跃的布朗粒子来实现自组装流体泵。光镊也可以用来扰动活性物质的环境，改变它们的集体行为。
5. 结论
光镊是当今在微观和纳米尺度上对各种样品进行非接触操作的关键工具。利用精确的t矩阵方法对光镊进行建模，使人们对非球形粒子的实验和形状的作用有了更深入的认识。在这里，我们讨论了光镊理论和实验实践的一些基本方面，重点讨论了在生物学、光谱学、光学定位和纳米热力学中的应用。自从亚瑟·阿什金(Arthur Ashkin)在微粒子上的光学力方面的开创性实验以来，这一令人兴奋的领域已经发展了近50年，它的发展势头仍在不断扩大，从生命科学到纳米引擎，再到量子技术，令人兴奋不已。
