成果简介
光镊具有非机械接触操控、力分辨率高、可用于液体中等独特优点，是生物医学应用的重要研究工具。但同时，光镊会对生物样品造成侵入性影响，产生光损伤，影响生物医学中动力学行为等信息的准确评估，甚至造成错误的病理分析，是光镊在生物医学应用中亟需解决的关键问题。调控光镊性能，降低光损伤已经成为生物光子学领域的热点前沿和重要需求。当前，调控光镊性能，降低光损伤的一种主要策略是通过结构光场等光场调控手段直接操控生物样品，提高光场光强梯度，在增强光镊的捕获能力和稳定性的同时，降低光功率、光照面积或者时间，减少光损伤。新兴结构光场——自聚焦光束在这种策略中展现出重要的潜在价值和应用前景。
我校光场调控课题组基于多性能的自聚焦光场，开展了系列自聚焦光镊的性能调控研究工作。研究发现采用多艾里光场叠加、贝塞尔艾里光场叠加及圆艾里皮尔斯光场叠加等多种光场结构调控方式，可以显著提升产生的新型自聚叫光场的光强、光强梯度、光镊力性能。基于能流分析法、偶极子近似法及广义洛伦兹米氏理论与麦克斯韦应力张量技术等理论分析手段，揭示了新构造自聚焦光场光镊的性能增强和调控的工作原理，发现自聚焦光场光镊具备抗无序介质干扰、低光损伤、强光镊力等优越特性，这有望促进自聚焦光束在生物医学上的光镊应用，为光镊降低光损伤和调控性能提供新思路和理论指导。相关研究工作接收发表于国际知名期刊《物理评论应用》（Physical Review Applied, 2022, https://journals.aps.org/prapplied/accepted/a507dA36H0c1a400035b732807fae5a67cd9edbea）和《物理评论A》（Physical Review A, 2021, 104, 023526和Physical Review A, 2021 104, 04352）。
应用前景
传统的光镊因照射时间过长或者功率高，对生物医学样品造成一定的侵入性影响，产生光损伤。这导致光镊在生物医学应用中无法准确评估生物动力学行为信息，甚至造成一些错误的病理分析。举例来说，红细胞形变能力的改变是大多数与红细胞相关的疾病如疟疾、镰状细胞病、糖尿病、地中海贫血等的病理诱因。通过光镊评估红细胞的形变能力，一定程度上可以推断红细胞的生理和病理状态，并由此监测药物的治疗效果。但即使是生物应用中常用的近红外激光光镊（波长1064nm，10mW），对红细胞曝光2分钟后，也会使红细胞的刚性增强约20％。这种光损伤削弱了红细胞的形变能力，将造成细胞行为信息的错误分析以及有关药物治疗效果的误判。因此，新型自聚焦光场光镊的出现将有助于光镊性能调控和降低光损伤，对生物医学应用如细胞评测、细胞搬运、病理分析等具有重大意义，能满足生物光子学领域中的热点前沿和重要需求，对于光镊在复杂生物系统（吸收、散射强）中的实际应用有着极大的潜在价值。
成熟度
本团队基于自聚光场光镊的性能调控研究已有数年的积累，在实验室基础研究阶段已经能够独立的从自聚焦光场的产生设计和传输动力学控制、再到光镊的性能调控，可完整的根据生物医学应用需求提供光镊研究的解决方案。
成果展示
图1自聚焦光镊的传输及光镊性能示意图
成果完成人
物理科学与工程技术学院：梁毅
成果转化，请联系成果与合作处，联系人：王老师，联系电话：0771-3810467。