Name: 利用带有直接拉膜侧壁的“船型”陷阱，在空气中光学捕捉大块金属颗粒 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2026-03-27T13:10:00.000+00:00
Duration: 10 min 36 s
Description: 了解利用声光调制器扫描激光束构建船型光阱，在空气中稳定捕获大块金属颗粒的方法。该技术通过动态绘制抛物线型光阱截面，实现对金颗粒和导体包覆微球的灵活操控，适用于等离激元增强和悬浮光学系统研究。

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本工作获得美国国家科学基金会资助，项目编号 2234534。

<ol><li>Lin, J., Li, Y. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+trapping+and+rotation+of+airborne+absorbing+particles+with+a+single+focused+laser+beam%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Phys+Lett%22%5BJournal%5D)">Optical trapping and rotation of airborne absorbing particles with a single focused laser beam.</a> Appl Phys Lett. 104 (10), 101909(2014).</li>
<li>Smalley, D. E., Bove, V. M., Barabas, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photophoretic-trap+volumetric+display%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Photophoretic-trap volumetric display.</a> Nature. 553 (7689), 486-490 (2018).</li>
<li>Shvedov, V. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Selective+trapping+of+multiple+particles+by+volume+speckle+field%5BTitle%5D)+AND+%22Opt+Express%22%5BJournal%5D)">Selective trapping of multiple particles by volume speckle field.</a> Opt Express. 18 (3), 3137-3142 (2010).</li>
<li>Sil, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dual-mode+optical+fiber-based+tweezers+for+robust+trapping+and+manipulation+of+absorbing+particles+in+air%5BTitle%5D)+AND+%22J+Opt%22%5BJournal%5D)">Dual-mode optical fiber-based tweezers for robust trapping and manipulation of absorbing particles in air.</a> J Opt. 19 (12), 12LT02(2017).</li>
<li>Sil, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrastable+three-dimensional+photophoretic+trap+in+air+facilitated+by+a+single+multimode+fiber%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Photonics%22%5BJournal%5D)">Ultrastable three-dimensional photophoretic trap in air facilitated by a single multimode fiber.</a> ACS Photonics. 11 (1), 159-170 (2024).</li>
<li>Shvedov, V. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Giant+optical+manipulation%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+Lett%22%5BJournal%5D)">Giant optical manipulation.</a> Phys Rev Lett. 105 (11), 118103(2010).</li>
<li>Shvedov, V. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Robust+trapping+and+manipulation+of+airborne+particles+with+a+bottle+beam%5BTitle%5D)+AND+%22Opt+Express%22%5BJournal%5D)">Robust trapping and manipulation of airborne particles with a bottle beam.</a> Opt Express. 19 (18), 17350-17356 (2011).</li>
<li>Wang, C., Gong, Z., Pan, Y. -L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+configurations+for+photophoretic+trap+of+single+particles+in+air%5BTitle%5D)+AND+%22Rev+Sci+Instrum%22%5BJournal%5D)">Optical configurations for photophoretic trap of single particles in air.</a> Rev Sci Instrum. 87 (10), 103104(2016).</li>
<li>Svoboda, K., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+trapping+of+metallic+Rayleigh+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Opt+Lett%22%5BJournal%5D)">Optical trapping of metallic Rayleigh particles.</a> Opt Lett. 19 (13), 930-932 (1994).</li>
<li>Hansen, P. M., Bhatia, V. K., Harrit, N., Oddershede, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Expanding+the+optical+trapping+range+of+gold+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Expanding the optical trapping range of gold nanoparticles.</a> Nano Lett. 5 (10), 1937-1942 (2005).</li>
<li>Sasaki, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+trapping+of+a+metal+particle+and+a+water+droplet+by+a+scanning+laser+beam%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Phys+Lett%22%5BJournal%5D)">Optical trapping of a metal particle and a water droplet by a scanning laser beam.</a> Appl Phys Lett. 60 (7), 807-809 (1992).</li>
<li>O’Neil, A. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intrinsic+and+extrinsic+nature+of+the+orbital+angular+momentum+of+a+light+beam%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+Lett%22%5BJournal%5D)">Intrinsic and extrinsic nature of the orbital angular momentum of a light beam.</a> Phys Rev Lett. 85 (5), 764-767 (2000).</li>
<li>Roosen, G., Imbert, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+levitation+by+means+of+two+horizontal+laser+beams%3A+a+theoretical+and+experimental+study%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Lett+A%22%5BJournal%5D)">Optical levitation by means of two horizontal laser beams: a theoretical and experimental study.</a> Phys Lett A. 66 (6), 448-450 (1978).</li>
<li>Mirzaei-Ghormish, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+trapping+of+large+metallic+particles+in+air%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+Appl%22%5BJournal%5D)">Optical trapping of large metallic particles in air.</a> Phys Rev Appl. 22 (6), 064042(2024).</li>
</ol>

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

成功实施该捕获技术依赖于声光调制器（AOM）频率的精确调控以及光学元件的正确对准。其中最关键的步骤之一是确保扫描激光束形成一个形状良好的抛物线势阱。&#160; 尽管较短的焦距和较高的数值孔径通常可提高捕获刚度和束缚能力，但在本应用中，长工作距离物镜在颗粒装载和观察方面的便利性超过了这些优势。&#160;
发现功率输出不足（&#60;800 mW）是导致光镊不稳定的一个常见原因，尤其对于质量较大的粒子更为显著。因此，确保足够的激光功率至关重要1,3,7。为了提高稳定性并优化粒子的束缚效果，可对波形发生器的参数进行调整。通过调节声光调制器（AOM）的扫描频率比，可精细调控光镊的形状，而高速成像提供的实时反馈则有助于快速校正系统（见图7K，L）。若捕获效果不稳定，应检查光束是否通过各光学元件的中心，并调整中继...

本研究提出了一种利用动态生成的船形势阱在空气中精确捕获、定位和操控大尺寸金属颗粒的方法。以往的方法——例如使用弱聚焦高斯光束1、像差势阱2、散斑场3,4,5或涡旋光束6,7——存在若干关键局限性，包括颗粒的旋转运动1、多个稳定的捕获位置2,3,4,5，或缺乏单一明确的捕获点6,7，某些几何构型下可能导致颗粒在多个稳定捕获位置之间跳跃3,7（见图1A）。一个值得注意的例外是向上指向的轴锥势阱，它提供单一捕获点，支持顶部装载，并且——至少在理论上——允许横向移动8。本文所述方法保留了这些优势，同时引入了三项关键改进：（1）对金属颗粒的稳定捕获，（2）采用水平光束几何结构，以及（3）通过直接绘制光学壁垒实现捕获势能的实时重构。
迄今为止，用于捕获金颗粒的方法通常在水中进行9,10,11，可能具有导致旋转运动的捕获特性12，或采用对向传播光束，从而限制被捕获颗粒的灵活平移13。为克服上述挑战，针对直径大于 1 μm 的实心金颗粒，采用了一种动态调制的光泳“小船”陷阱。
该方法适用于多种粒径和类型的颗粒，范围从20 nm的碳纳米球簇到100 µm的包覆玻璃微球。该技术在开放的常压环境和封闭的局部压力环境中均有效。该技术可在高达数十瓦的功率下运行。由于光阱以线状而非点状分布，且光功率分布在较大区域上，因此在超过1 W的功率下进行实际操作最为有效。
捕获机制依赖于正向光泳效应，该效应由激光束对粒子的非对称加热引起。当照射到吸光的金属粒子时，较热的一侧释放的气体分子比冷却侧具有更大的动量，从而产生一个将粒子推离光源的净作用力。这种光泳力可表示为：
<img alt="光泳力方程 F_phot = C·∇T，光操控研究，公式图像。" src="/files/ftp_upload/68766/68766eq1.jpg" style="margin:0;" data-altupdatedat="1785816036000" data-alt="方程 1">
其中 C 是一个取决于颗粒几何形状、气体性质和热适应系数的系数，∇T 是颗粒表面的温度梯度。在此系统中，该力方向向上，与重力相抗衡，从而实现稳定的悬浮。关于光致泳力（包括辐射压力和热滑移效应）的更详细推导，参见 Mirzaei-Ghormish 等人14。
该光阱利用任意波形发生器（AWG）控制声光调制器（AOM），通过扫描聚焦的连续波（CW）激光束形成高强度的光学势垒，从而产生稳定的抛物线形捕获势能14（见图1B）。这种方法能够精确控制捕获势阱的形状，使粒子被捕获、固定并暴露于单一表面——这对于将纳米金刚石靠近尺寸大于1 μm的金等离激元颗粒以实现纳米金刚石荧光的Purcell增强等应用而言，是关键前提条件11

<table><tbody><tr><td>1倍，40 mm工作距离CompactTL远心镜头</td><td>Edmund Optics</td><td>63-745</td><td>用于成像被捕获的粒子；远心镜头；在图3中标记为“i”</td></tr><tr><td>50.8 mm（2英寸）N-BK7 A镀膜平凸透镜</td><td>Thorlabs</td><td>LA1050-A</td><td>用于光束准直与叠加（对准方法已讨论）；中继光学元件；在图3中标记为“b”</td></tr><tr><td>5倍长工作距离LM平场消色差金相显微镜物镜，工作距离15.5 mm，型号MT05073231</td><td>BoliOptics</td><td>MT05073231</td><td>用于AOM输出的傅里叶变换；物镜；在图3中标记为“g”</td></tr><tr><td>AmScope 6瓦大功率LED双蛇形颈照明器</td><td>Amscope</td><td>LED-6W</td><td>用于提高成像对比度；白光光源；在图3中标记为“f”</td></tr><tr><td>AO偏转器，部件号97-02799-01</td><td>Gooch &amp; Housego</td><td>4120-2</td><td>声光调制器（AOM），用于Y方向扫描；Y-AOM；在图3中标记为“a”</td></tr><tr><td>AO偏转器，部件号97-02799-01</td><td>Gooch &amp; Housego</td><td>4120-2</td><td>用于X方向光束扫描的AOM；X-AOM；在图3中标记为“c”</td></tr><tr><td>Basler ace acA640-750uc USB3彩色相机</td><td>Edmund Optics</td><td>33975</td><td>用于检测粒子；相机；在图3中标记为“j”</td></tr><tr><td>运行Windows 11操作系统的计算机</td><td>Dell</td><td>n/a</td><td>配备数据采集与成像软件</td></tr><tr><td>连续波激光器（532 nm，最高10 W）</td><td>Coherent</td><td>Verdi V10</td><td>照明激光器；激光光源</td></tr><tr><td>一次性培养管</td><td>Fisher</td><td>14-961-26</td><td>粒子旋转腔室；粒子腔；在图3中标记为“h”</td></tr><tr><td>玻璃腔室，长20 mm，直径12 mm，由硼硅酸盐玻璃培养管切割而成</td><td>Fisherbrand</td><td>14-961-26</td><td>20L &amp;times; 12D mm，用于气流稳定</td></tr><tr><td>玻璃微球，平均直径40–60 &amp;micro;m，3M K1“气泡”</td><td>Kremer</td><td>#59910</td><td>用于对比测试</td></tr><tr><td>金颗粒（平均直径1.16 &amp;micro;m）</td><td>ASI</td><td>162-0010</td><td>实心金颗粒</td></tr><tr><td>型号TB-17</td><td>Minicircuits</td><td>15542</td><td>用于放大AOM信号；射频放大器；在图3中标记为“m”</td></tr><tr><td>安装式标准光阑，最大孔径&amp;Oslash;25.0 mm，TR3支架</td><td>Thorlabs</td><td>ID25</td><td>用于空间滤波衍射级次；光阑；在图3中标记为“d”</td></tr><tr><td>&amp;Oslash;1&quot; 50:50 UVFS平板分束器，镀膜范围：350–1100 nm，厚度t = 5.0 mm</td><td>Thorlabs</td><td>BSW26</td><td>用于沿光轴引入白光以背照粒子；分束器；在图3中标记为“e”</td></tr><tr><td>Rigol DG4202双通道波形发生器，正弦波频率最高200 MHz，方波频率最高60 MHz，采样率500 MSa/s，任意波形内存长度16 kPt，配备7英寸显示屏，支持USB和以太网（LXI）接口</td><td>TestEquity</td><td>DG4202</td><td>Rigol DG4202，用于AOM控制；任意波形发生器；在图3中标记为“k”</td></tr><tr><td>ZOS-150+&amp;nbsp;</td><td>Minicircuits</td><td>M110171</td><td>用于AOM频率调谐；压控振荡器（VCOs）；在图3中标记为“l”</td></tr></tbody></table>

使用具有直接拉制侧壁的“小船”型光阱在空气中捕获大尺寸金属颗粒

Optically Trapping Large Metallic Particles in Air Using a &#39;Boat&#39; Trap with Direct-Drawn Sidewalls

我们提出一种实现大尺寸金属颗粒稳定光镊捕获的方法（&#62;1.16 µm 平均直径的实心金颗粒，以及 &#62;使用声光偏转器扫描聚焦光束，在空气中直接绘制出抛物线形的势阱截面，以操控直径为100 μm的导电涂层微球。&#160; 这种牵拉作用的结果是形成一个顶部开口的“船形”捕获阱，能够捕获、装载并稳定地固定较大的金属颗粒，且不会发生跳跃。&#160; 高功率连续波532 nm激光在x和y方向上进行扫描，形成优化的船形光强分布，用于捕获微球。通过仔细选择扫描频率，使频率足够快以在粒子动力学尺度上呈现连续性，同时又足够慢以避免光阱畸变，从而最大化捕获时间。本方案描述了实验装置，包括激光调制、粒子引入技术及验证方法。碳包覆微球主要用于可视化和验证光阱的形成与稳定性，而实心金纳米颗粒则作为等离激元相互作用研究的目标。该方法可实时按需绘制多种横截面，为长期捕获、装载和输运悬浮粒子提供了一种稳定且灵活的方法，在悬浮光学系统的等离激元增强方面具有潜在应用价值。&#160;

碳包覆微球的结果
在本文所涉及的两种颗粒类型（即碳包覆微球和实心金颗粒）中，碳包覆微球是用于捕获的视觉上最方便的颗粒。当背光照射时，碳包覆微球会产生明显的暗影，如图9E、F所示。这使得它们成为验证小船形捕获装置硬件设置的理想选择。其高可见性使得可以使用上述自动颗粒检测软件。
尺寸约为100 μm的玻璃微球颗粒的阴影将非常明显，并会大致沉降到抛物线形捕获区的底部，略微偏向扫描方向（图9F）。
成功捕获与失败捕获
当成功捕获粒子时，自动粒子检测软件将显示一个红色的“T”，如图12A所示。当未检测到被捕获的粒子时，软件将显示一个绿色的“N”，如<...

本文描述了一种实验方法，通过动态船形光泳捕获阱在空气中实现对大尺寸金属颗粒的长时间稳定捕获和精确定位。该系统能够实现可控操控，适用于等离激元相互作用研究。

我们提出一种实现大尺寸金属颗粒稳定光镊捕获的方法（>1.16 μm 平均直径的实心金颗粒，以及 >100 ...

本研究描述了一种可重构的船形光阱的构建与操作方法，用于在空气中捕获和操控微粒。现有的捕获技术在捕获区域与阱位定位精度之间存在权衡。本方案引入的船形光阱可同时实现大捕获面积和高定位精度。本方案可在常温常压的标准实验室环境中实施，同时需遵循4类激光安全操作规范。制备好碳涂层玻璃微球后，使用运动学光束升降装置和直尺调节光束高度至23厘米。将激光功率降低至50毫瓦以下。使用偏振片确定偏振方向是否为垂直取向。调节显微镜，使光束高度位于光束提升装置输出端负Z方向100厘米以上的位置。在负Z方向10厘米处放置一个傅里叶变换透镜，透镜的凸面朝向正Z方向。然后将剩余的三个傅里叶变换透镜以20厘米的间距放置，并交替透镜的凸面方向。将声光调制器置于靠近激光器最近和第三近的透镜沿负Z方向10厘米处。确保靠近激光器的声光调制器为垂直取向。将声光调制器置于距离靠近激光器的第三个透镜10厘米处。将其水平对准，并沿远离光轴方向旋转约2度。对于任意波形发生器的每个通道，连接一个压控振荡器、一个放大器和一个声光调制器。然后将放大器连接到声光调制器。使用任意波形发生器，将供给两个压控振荡器的电压设置为五伏特，对应频率为100兆赫兹。然后将声光调制器二的倾斜角度减小至零。逐渐增大角度，直至一级衍射光达到最大亮度。调整从第一个声光调制器出射的两束光，使其均进入第二个调制器。从第二个声光调制器出射的四束光中，仅允许右上侧的光束通过光阑。接下来，放置一个分束器，将部分光束引导至观察面。将任意波形发生器的幅度设为零，观察观察面上呈现为一个光点的光束。将垂直通道偏置设为5伏，幅度设为3伏，频率设为4千赫兹。观察光束在观察面上形成一条垂直线。然后将水平通道偏移调节至5伏，幅度调节至3伏，频率调节至4千赫兹。此时光束应在观察面上形成一条对角线。将垂直通道调谐至八千赫兹并设置90度相位偏移，使观察面上呈现李萨如图形。然后按下“对齐相位”按钮，将李萨如图形转换为抛物线形状。调节垂直通道的相位偏移以优化抛物线形状，并在观察面上观察优化后的抛物线图形。将焦距为45毫米的远心镜头安装在直线位移台上，使其位于物镜前方正Z方向55毫米处。然后将专用于反射532纳米光的二向色滤光片放置在镜头前方。使用通用串行总线（USB）线缆将相机连接至个人计算机，并运行配套的成像软件。然后将二向色滤光片轻微倾斜五到十度，直至出现抛物面捕获光阱的形状。使用光纤光源照射分束器，并调节光纤光源，使其照明区域中心对准抛物面捕获光阱。用实验室刮勺取约一克微粒，放入一个长25毫米、直径12毫米的玻璃圆柱管内，该圆柱管安装方式可绕其轴线旋转。将装有样品的玻璃圆筒置于物镜前方15毫米处，使其居中，该距离对应物镜的工作距离。旋转并轻敲圆筒后，观察相机显示画面，注意是否存在默认状态或无捕获颗粒、颗粒下落以及颗粒被捕获的情况。安装并配置软件后，启动 Visual Studio 2022 并打开项目文件。按下绿色的运行按钮以启动程序。观察屏幕上出现的视频画面和终端界面。确保视频画面中可见绿色的捕获抛物线。如果不可见，请调整功率、滤光或对准，直到捕获区域出现为止。同时按下 Windows 键、Shift 键和 S 键以截取屏幕。从视频画面的左上角点击并拖动鼠标指针至右下角。单击弹出窗口以打开截图编辑器。在编辑器中单击“在 MS Paint 中编辑”按钮。然后将光标置于 MS Paint 窗口中抛物线的左上角。记录 MS Paint 窗口中抛物线下方左下角显示的坐标，作为 X 最小值和 Y 最小值。然后将光标移至抛物线下方右下角，记录此时左下角显示的坐标，作为 X 最大值和 Y 最大值。完成后，按 Esc 键关闭视频流。在项目中 main.cpp 文件的 is_trapped 函数第 280 行，输入 X 最小值、X 最大值、Y 最小值和 Y 最大值。为实现测试频率的随机化，请启动 Visual Studio 2022，若项目文件尚未打开，则将其打开。随后打开 Windows PowerShell 或命令提示符，运行命令 pythonc import random，并从 0 到 101 的范围内打印一个随机样本。然后复制生成的测试编号列表。在 Visual Studio 2022 中，通过将生成的列表粘贴到 test number 序列中来编辑 main.cpp 的第 443 行，并保存项目。将激光功率增加至实验所需的水平。点击绿色运行按钮，并轻敲和旋转颗粒管，以开始实验。实验结束后，打开结果。在文本编辑器中打开 txt 文件。观察每次程序运行都会在“新一轮结果开始”标题下生成新的结果，格式为：测试编号、结果，后跟以纳秒为单位的捕获时间。为了进行数据可视化，将逗号分隔值文件中的测试编号和捕获时间复制到 example.xlsx 文件中。应用所需滤镜后，观察新增的列表以及随陷俘时间与陷俘抽取频率关系生成的散点图。在背光条件下，碳涂层微球会产生深色阴影。玻璃微球为尺寸约为100微米的颗粒，大致沉降至抛物线形陷阱的底部。当成功捕获粒子时，自动粒子检测软件会显示红色的 T。当未检测到被捕获的粒子时，软件则显示绿色的 N。捕获率和捕获寿命可能随温度或湿度等环境变量的变化而增加或减少。沿光轴方向无法观察到尺寸约为一微米的实心金粒子，但可在垂直于光轴的方向观察到其光散射现象。视频记录证实，粒子可维持其位置达数分钟以上的较长时间。本方案使研究人员能够设计并快速修改一种船形捕集器，用于捕获和移动空气中的多种颗粒物。未来的研究可整合现场可编程门阵列控制，以实现对捕集器形状、权重及其在二维平面内横截面位置的可编程操控。

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