Deep Learning for Optical Tweezers
本文探讨了深度学习在光学镊子设计、校准和实时控制中的应用，以及其在提升光学镊子性能方面的优势和未来发展方向。
2024-01-04 physics.ins-det physics.optics
Measurement of particle motion in optical tweezers embedded in a Sagnac interferometer
为了提高粒子在几何光学中位置跟踪的灵敏度，我们在Sagnac干涉仪中嵌入了一个反向传播光镊装置。使用Sagnac干涉仪的增强的位置确定先前已经由Taylor等人[Journal of Optics 13，044014（2011）]针对被捕获在驻波的波腹中的瑞利态粒子进行了理论描述。我们将他们的理论推广到任意大小的粒子被正交偏振反向传播光束捕获的情况。该装置的工作距离足够长，以利用辅助激光束光学诱导与镊子的轴正交的颗粒振荡。使用这些振荡作为参考，我们已经通过实验表明，Sagnac增强后焦平面干涉术能够提供超过5倍的信号-背景比的改善，对应于超过30倍的信噪比的改善。实验结果与理论预测一致。在实验装置中，我们使用了一种基于商业喷墨技术的光学悬浮器辅助液滴在空气中输送的方法，并采用了一种新的方法来精确控制液滴的尺寸。
2015-10-08 physics.optics
Tutorial on the analytical calculation of optical forces on spherical particles in optical tweezers
阿瑟·阿什金因发明光镊而获得2018年诺贝尔物理学奖。自1986年首次发表以来，光镊已被用作测量微观系统的力和流变特性的工具。对于这些测量的校准，力的知识是基本的。然而，它仍然是常见的推断光学力从假设的基础上的颗粒尺寸相对于捕获激光波长。这表明有必要开发一个完整和准确的电磁模型，不依赖于早期的近似力模型。此外，我们开发的模型有几个优点，如形态依赖的共振，大球体的尺寸依赖性，以及较小颗粒的多极效应，仅举几例。在本教程中，我们将回顾和讨论光镊中光学力的物理建模，光学力是由捕获光束施加在任何大小和组成的球体上的合力。
2019-04-23 physics.optics
Steerable optical tweezers for ultracold atom studies
我们报告了一个光镊系统的实现控制传输的超冷原子沿一个狭窄的，静态的限制通道。镊子系统是基于高效率的声光偏转器，并提供二维控制光束的位置。这为在原子云沿着导向器穿梭时跟踪传输通道开辟了可能性，从而防止原子溢出。多个云可以独立地跟踪的时间共享镊子光束寻址通道中的各个站点。使用多通道直接数字合成器控制偏转器，该合成器从现场可编程门阵列接收亚微秒时间尺度上的指令。使用镊子系统，我们演示了连续的二元分裂的超冷$\rm^{87}Rb$云到$2^5$云。
2013-12-20 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph physics.optics
Metasurface Holography on a Relative-Phase Manifold for Stable and High Fidelity Tweezer-Array Generation
提出一种基于相对相位流形的超表面全息方法，通过反向投影优化调整少量相位参数，实现高保真、偏振分辨的光学镊子阵列生成，具有相位稳定性和抗像差能力。
2026-05-24 physics.optics
Realization of vortex pair and its application in optical tweezers
光子的轨道角动量作为光的基本性质之一，引起了人们的广泛关注。本文从理论上证明了在均匀各向同性介质中，当线变局部线偏振（LVLLP）光束被高数值孔径（NA）物镜强聚焦时，无自旋态光可以发生OAM转换.高NA物镜在此充当调制器，其使得能够对空间上分离的输入SDLLP光束的左右圆形振动的两个分量进行自旋到轨道OAM转换。因此，发生从线性状态到共轭OAM状态的部分转换，导致两个焦点的纵向分量具有相反方向的螺旋相位。此外，这种定制的光场可以用于在光镊中识别和分离手性物体。
2020-03-31 physics.optics
Direct observation of the effects of spin dependent momentum of light in optical tweezers
我们证明了圆偏振高斯光束在光镊中的紧聚焦导致自旋动量锁定-横向自旋角动量密度与螺旋度无关，而横向动量（坡印廷矢量）则与螺旋度有关。我们的理论计算，数值模拟和实验表明，分层介质的存在下，在捕获光束的路径中显着提高了横向动量的大小在径向方向上相对于光束轴，同样，也导致高离轴强度。这种重叠使我们能够实验观察到的双折射粒子的圆周运动，被困离轴，在响应于输入的圆偏振基本高斯光束携带没有固有的轨道角动量。圆周运动取决于输入光束的螺旋度，因此我们可以将其识别为在我们的光镊装置中获得的传播光束中的难以捉摸的贝林凡特自旋的签名。我们的工作可以扩展到高阶光束携带固有轨道角动量导致简单的路线实现复杂的粒子操纵使用光镊。
2020-04-08 physics.optics
Plasmon enhanced optical tweezers with gold-coated black silicon
等离子体光镊是一种普遍存在的工具，用于在低光子通量下精确操纵纳米颗粒和生物分子，而飞秒激光光镊可以探测被捕获物质的非线性光学性质，并应用于生物诊断。为了在实际应用中采用等离子体光镊，必须在不影响捕获效率的情况下开发大规模的制造工艺。在这里，我们开发了一种新的平台，连续波（CW）和飞秒等离子体光镊，基于镀金的黑硅。与传统的光刻方法相比，该制造方法依赖于简单的、单步的、无掩模的桌面激光处理水中的硅，这有利于可扩展性。镀金黑硅支持可重复的捕获效率，可与迄今为止报道的最高效率相媲美。从更基本的方面来看，等离子体激元介导的效率增强是共振效应，并且因此取决于捕获光束的波长。令人惊讶的是，等离子体增强的捕获效率的波长表征已经回避了文献。在这里，我们利用记录的捕获效率的可重复性，提供的镀金的黑硅平台，并执行的捕获过程的波长相关的表征，揭示了共振特性的捕获效率最大值。镀金黑硅是一个有前途的大规模并行捕获应用平台，将扩大纳米工程，生物学和集体生物光子效应研究中的光学操纵范围。
2016-06-27 physics.optics
Probing inhomogeneous and dual asymmetric angular momentum exploiting spin-orbit interaction in tightly focused vector beams in optical tweezers
在光镊中通过紧聚焦产生的光的自旋-轨道相互作用（SOI）已经被常规地用于在被捕获的介观粒子中产生角动量-自旋和轨道。具体而言，横向自旋角动量（TSAM），这是由于产生的电磁场的纵向分量的紧聚焦，是特别感兴趣的，无论是在基础研究和相关的应用。我们提供了一个有效的和最佳的策略，产生TSAM的光镊紧聚焦径向和方位角偏振的一阶拉盖尔高斯光束没有固有角动量，到折射率分层介质。我们选择这样的输入字段，确保所产生的纵向自旋角动量（LSAM）的电（磁）场的径向（方位角）的组件是零，这导致单独的和排他性的影响的电和磁TSAM的情况下，输入径向和方位角偏振光束上的单个双折射粒子。我们还观察到起源相关的固有轨道角动量的出现，导致双折射粒子围绕两种输入光束类型的光束轴旋转，这为光镊中的奇异和复杂的粒子操纵开辟了新的和简单的途径。
2023-02-28 physics.optics
Dual-mode optical fiber-based tweezers for robust trapping and manipulation of absorbing particles in air
我们开发了一个光镊系统，使用一个单一的双模光纤介观吸收粒子可以被困在三维和操纵采用电泳力。我们产生的基本和一阶厄米-高斯光束模式的叠加，通过简单的创新耦合到商业光纤激光器被设计为单模的波长高于激光器。我们实现了强大的捕获的吸收粒子数小时，使用纯基波和叠加模式光束，并获得大的操作速度~5 mm/s的轴向方向和~0.75 mm/s的径向方向。然后，我们证明了叠加模式是更有效的捕获和操作相比，基本模式的约80%，这可能会增加几倍，通过使用一个纯粹的一阶厄米高斯模式。这项工作有前途的影响，捕获和光谱的气溶胶在空气中使用简单的光纤为基础的陷阱。
2017-04-05 physics.ins-det physics.optics
Giant enhancement of higher-order harmonics of an optical-tweezer phonon laser
针对悬浮光镊声子激光器高次谐波强度和品质因子低的问题，提出一种电子控制方法，使基模及高次谐波亮度提升三个数量级，并显著改善线宽、频率稳定性和相干性，推动非线性声子激光器应用。
2024-02-20 physics.optics
Tapered nanofiber trapping of high-refractive-index nanoparticles
一种基于纳米纤维的光镊。捕获是通过结合吸引近场光学梯度力与排斥静电力来实现的。直径为300 μ m的二氧化硅涂覆的Fe $_2$ O $_3$纳米球在距离表面50 nm处被捕获，光功率为810 $μ$ W，最大陷阱刚度为2.7 pN $μ$ m $^{-1}$。静电捕获力高达0.5 pN的实现，一个因素的50倍以上，可实现相同的光功率在传统的光镊。将光场直接有效地收集到微透镜中，能够超灵敏地跟踪纳米颗粒运动并提取其特征布朗运动谱，最小位置灵敏度为3.4 $Å/ \sqrt{\text{Hz}}$。
2013-10-22 physics.optics
Contactless optical spinning tweezers with tunable rotation frequency
光阱设计原理的进步已经导致在使用庞大的系统在不同环境中操纵具有不同功能的纳米颗粒（NP）方面取得了巨大进展。然而，在恶劣的环境中有效地控制和操纵纳米粒子需要仔细设计的非接触式光镊。在这里，我们提出了一个简单的设计，光纤光学探针允许在非接触制度的电介质NP的陷阱，以及光的角动量的NP诱导其机械旋转的转移。通过打破刻在锥形金属涂覆光纤顶点处的同轴纳米孔的圆柱对称性，几何地激发从线性（引导基模）到圆形的偏振转换。数值模拟表明，这种简单的几何形状的尖端允许强大的光传输与有效的偏振转换。这保证了在非接触状态下的非常稳定的捕获以及潜在的高度可调谐的正或负旋转频率（对于光纤中的10mW注入功率，在水中高达45Hz，在空气中高达5.3MHz）。这种类型的光纤探针开辟了新一代小型化工具的道路，用于纳米粒子的全面操作（捕获，分选，旋转）。
2022-09-13 physics.optics
Photon-efficient optical tweezers via wavefront shaping
针对给定光子预算下三维光镊刚度极限未知的问题，本文通过定制光场和多参数优化设计微粒专用光阱，并结合波前整形实验将微球约束体积降低数量级。
2023-04-25 physics.optics
SmartTrap: Automated Precision Experiments with Optical Tweezers
SmartTrap是一个集成深度学习三维粒子追踪、自制反馈电子与微流控的自主光镊平台，实现了长时间高精度自动化实验，为单分子生物物理、细胞力学和胶体科学的大规模研究提供开源框架。
2025-05-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.optics
Ultrafast viscosity measurement with ballistic optical tweezers
粘度是非平衡系统的重要性质，例如活性生物材料和驱动的非牛顿流体，并且用于从生物材料到地质学、能源技术和医学的领域。然而，非侵入式粘度测量通常需要秒的积分时间。在这里，我们展示了四个数量级的速度提高，下降到20微秒，与不确定性为主的基本热噪声的第一次。我们利用光镊中捕获粒子的瞬时速度来实现这一点。为了解决瞬时速度，我们开发了一个结构光检测系统，允许粒子跟踪兆赫带宽。我们的研究结果翻译的粘度从静态平均属性，一个可以动态跟踪的时间尺度上的主动动态。这为在非平衡系统中的新发现开辟了一条道路，从相变的快速动力学，到马达分子步进中的能量耗散，再到违反平衡热力学的波动定律。
2020-06-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.ins-det
Tracking of colloids close to contact
精确跟踪微米大小的胶体颗粒-使用光镊彼此保持在附近-是获得有关粒子-粒子对相互作用势的信息的一种优雅的方式。然而，该方法的准确性强烈依赖于跟踪精度。特别地，消除位置检测中由于重叠的颗粒衍射图案而引起的系统误差仍然是一个巨大的挑战。在这里，我们提出了一种基于模板的粒子发现算法，通过跟踪仅受附近胶体影响不显著的一小部分粒子图像来规避这些问题。在现实的实验条件下，我们表明，我们的算法显着减少系统误差相比，标准的跟踪方法。此外，我们的方法原则上应该适用于几乎任意形状的颗粒，因为模板可以适应任何几何形状。
2015-08-15 cond-mat.soft physics.optics
Ultrafast light-sheet optical tweezers for in situ parallelized biomechanical characterization of cells and soft tissues
Brown University, School of Engineering（布朗大学工程学院）；Brown University, Institute for Biomedical Engineering and Medicine（布朗大学生物医学工程与医学院）；Brown University, Center for Digital Health（布朗大学数字健康中心）
本文提出光片光镊力传感器（LOFT），通过多粒子并行捕获和飞秒激光增强，实现细胞与软组织的高通量原位力学表征，首次用于完整组织测试。
2026-09-22 physics.bio-ph physics.optics
Speckle Optical Tweezers: Micromanipulation with Random Light Fields
目前的光学操纵技术依赖于精心设计的装置和样品。虽然在研究实验室中通常满足类似的条件，但当环境没有得到很好的控制和先验已知时，操纵微粒仍然是一个挑战，因为光学缺陷和散射限制了这种技术在现实生活中的应用，例如在生物医学或微流体应用中。尽管如此，无序结构对相干光的散射会产生散斑，这是一种具有明确统计特性的随机衍射图案。在这里，我们通过实验演示了散斑场如何成为一种多功能工具，以有效地执行基本的光学操作任务，如捕获，引导和排序。我们预计，这些简单的“斑点光镊”将大大拓宽现实生活中的应用光学操纵的前景。
2014-03-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Trapping of Single Atoms in Metasurface Optical Tweezer Arrays
Columbia University（哥伦比亚大学）
本研究展示了通过全息超材料生成的光学镊阵列，实现了超过1000个锶原子的捕获，具有高均匀性和任意几何排列能力，为大规模量子应用提供支持。
2025-08-11 cond-mat.quant-gas physics.app-ph physics.atom-ph
Alkaline earth atoms in optical tweezers
我们演示了单个碱土原子在光镊中的单次成像和窄线冷却，特别是被困在$515.2~\text{nm}$光中的锶-88原子。我们实现高保真单原子分辨成像检测光子从宽单重态跃迁，而冷却的窄相互组合线，并将这种技术扩展到高度均匀的二维阵列的$121$镊子。成像过程中的冷却是基于以前未观察到的窄线西西弗斯机制，我们预测这将适用于各种各样的实验情况。此外，我们证明了光分辨边带冷却的单原子接近运动的基态的镊子。在成像过程中损失的精确测定表明，从$^1$ P $_1$到$^1$ D $_2$的分支比比通常引用的大两倍以上，这也是我们的从头计算预测的差异。我们还测量了在$515.2~\text{nm}$镊子中的互组合线的微分极化率，并通过将镊子极化从线性调谐到椭圆来实现魔捕配置。我们目前的计算，与我们的结果一致，预测魔术交叉线偏振在$520(2)~\text{nm}$和交叉独立的偏振在500.65（50）nm。我们的研究结果为基于镊子中单独控制的碱土原子的广泛的新实验途径铺平了道路-从原子物理学的基础实验到量子计算，模拟和计量实施。
2018-10-15 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph physics.optics
Photo-Thermal Actuation of Hybrid Microgels with Dual Laser Optical Tweezers
针对光热混合微凝胶单粒子动态表征难题，提出双激光光镊方法，结合成像与均方位移分析实现实时单粒子驱动监测，精度媲美双激光DLS且具单驱动器分辨率，为软体机器人等应用提供优化平台。
2025-07-01 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Optical tweezers absolute calibration
光镊是一种多用途的中性微粒激光陷阱，在物理学和单分子细胞生物学中有着重要的应用。力测量是通过将刚度响应转换为被捕获的透明微球的位移来进行的，该微球用作力传感器。通常，校准是间接的，通过与流体阻力进行比较。这可能会导致相当大的差异因素。简要回顾了过去15年来在绝对校准方面取得的进展。在这里，我们克服了它的最后一个主要障碍，一个理论高估的峰值刚度，在最广泛的应用范围内，我们进行实验验证。这种差异可以追溯到光学系统的初级像差的影响，现在已经包括在理论中。所有所需的实验参数都很容易获得。散光，主要的影响，是通过分析聚焦激光光斑的反射图像，适应经常采用的视频显微镜技术来测量。结合界面球差，它揭示了一个以前未知的窗口不稳定的陷阱。与实验数据的比较导致误差条内的整体协议，没有拟合，对于广泛的微球半径，从瑞利制度的射线光学，不同的偏振和捕获高度，包括所有常用的参数域。除了信号光镊操作的第一原理理论理解，结果可能会导致改进的仪器设计和实验控制，以及扩展的适用范围，允许可靠的力测量，原则上，从毫微微牛顿到毫微牛顿。
2014-06-27 physics.ins-det physics.optics
Atomic interferometer based on optical tweezers
本文提出一种基于光镊的新型原子干涉仪，通过相干原子分裂与合并方案实现亚微米定位和长探测时间，重力加速度测量相对精度可优于10^-11，并适用于引力及卡西米尔-波尔德力研究。
2024-02-22 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph physics.optics
From far-field to near-field micro- and nanoparticle optical trapping
光镊是一种非常成熟的技术，在过去的几十年中已经发展成为捕获和操纵微米和亚微米颗粒的标准工具，并取得了巨大的成功。虽然光的性质限制了由于阿贝衍射极限而可以有效捕获的最小颗粒尺寸，但科学家们已经通过设计利用近场效应的新设备来克服这个问题。如今，可以制造金属纳米结构，其在激光照射下产生不受衍射极限影响的次级等离子体场。这一进步提供了一个很大的改进，在纳米粒子捕获，因为它放宽了捕获要求相比，传统的光镊。在这项工作中，我们回顾了传统的光镊，所谓的等离子体镊子，和相关现象的基本原理。从Arthur Ashkin的想法开始，直到最近的改进和应用，我们提出了这些技术所面临的一些挑战以及它们的未来前景。在这次审查的重点是连续改进的技术和创新方面，已设计克服一些主要的挑战。
2020-01-21 physics.app-ph physics.optics
Optimization-based hologram design for fine optical tweezer arrays and extension of super-resolution criteria
Hamamatsu Photonics K.K.（滨松光子科技株式会社）；Institute for Molecular Science, National Institutes of Natural Sciences（国立自然科学研究所分子科学研究所）
本文提出了一种基于优化的全息图设计方法，实现了亚微米级的光镊阵列排列，并扩展了超分辨率标准。
2026-01-28 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Overcoming optical contrast limit of mesoscale light focusing by means of retrograde-reflection photonic nanojet
从理论上分析了逆反射模式下亚波长光子纳米射流的物理起源。这种特定类型的光子纳米喷射出现在平面光波的连续双聚焦时，由位于平面反射镜附近的透明电介质微粒引起。据我们所知，我们第一次报道了逆PNJ的独特性质，其用于使用光学对比度超过极限值（n > 2）的微粒来增加其焦距和强度，这从根本上将逆PNJ与常规PNJ行为区分开。这可能会大大增加基于PNJ的光镊的捕获潜力。
2020-04-29 physics.optics
On-chip optical levitation with a metalens in vacuum
电介质粒子在真空中的光悬浮是精密测量、基础物理测试和量子信息科学的一项重要技术。传统的光镊需要庞大的光学元件来捕获和检测。在此，我们设计并制作了一个在真空中1064 nm处具有0.88的高数值孔径的双折射介质超透镜。它由500 nm厚的硅纳米天线组成，与真空兼容。我们演示了纳米粒子在真空中的光学悬浮与一个单一的超透镜。通过改变激光功率和偏振态可以调节俘获频率。我们也转移悬浮纳米粒子之间的两个单独的光镊。在真空中使用超透镜的光学悬浮为包括片上传感在内的广泛应用提供了机会。这种超透镜也将用于捕获超冷原子和分子。
2021-07-20 physics.app-ph physics.optics
Light scattering and surface plasmons on small spherical particles
小粒子的光散射在物理学中有着悠久而有趣的历史。尽管如此，它仍然以新的见解和应用程序令人惊讶。这包括新的发现，如新颖的等离子体效应，以及令人兴奋的理论和实验发展，如光学捕获，异常光散射，光镊，纳米激光器，以及Fano共振的新方面和实现。这些都导致了重要的新的应用，包括在生物医学领域和传感技术在单分子水平的几个。在光学器件和太阳能技术中还有许多潜在的未来应用。在这里，我们回顾了光散射的基本方面的小球形粒子，强调在这一领域的唯象处理和新的发展。
2014-07-09 physics.optics
Higher order microfibre modes for dielectric particle trapping and propulsion
近年来，在光学微纤维和纳米纤维附近的光学操纵已经在几个领域显示出潜力，包括微粒控制和冷原子探测和捕获。迄今为止，大多数工作集中在基模通过光纤的传播。然而，沿最大模式强度轴，高阶模式具有较长的倏逝场扩展和较大的场振幅相比，基模在光纤腰部，开辟了新的可能性，光学操纵和粒子捕获。在这项工作中，我们展示了一个微纤维/光镊紧凑的系统，用于捕获和推进电介质粒子的基础上激发的第一组高阶模式在光纤腰部。单个聚苯乙烯粒子被捕获和推进的高阶和基本模式的微纤维表面附近的倏逝场。对于直径为1 μm ~ 5 μm的粒子，与基模相比，高阶模的粒子推进速度有所提高。当束腰功率为25 mW时，单个3 μm聚苯乙烯粒子在高阶倏逝场作用下的光推进速度比基模作用下快8倍。实验数据和这两种不同的光纤模式和粒子的倏逝场之间的动态相互作用的理论计算支持。这项工作可以推广到量子网络中激光冷却原子的捕获和操纵。
2015-01-29 physics.optics
Quantum theory of non-Hermitian optical binding between nanoparticles
针对悬浮纳米颗粒的非互易光学结合，本文建立含相关量子噪声的非厄米相互作用量子理论与马尔可夫主方程，并给出实现单向耦合的途径。
2024-12-04 physics.optics quant-ph
Nonequilibrium dynamics induced by scattering forces for optically trapped nanoparticles in strongly inertial regimes
作为第一近似，作用在光学捕获粒子上的力通常被假设为保守的。在过阻尼液体环境中，非保守力的影响可以忽略不计。然而，其在欠阻尼状态下的影响仍未得到研究。在这里，我们实验研究的梯度和散射力的非线性动力学的被困粒子在各种气压的综合影响，导致显着的低频噪声过剩沿光轴和环形布朗涡旋的出现。我们的研究结果支持，通过数值模拟和理论模型，提供了基本的见解光镊的功能和调查非平衡稳态的存在下，非保守力的手段。
2019-04-09 cond-mat.stat-mech physics.optics
Theoretical comparison of real-time feedback-driven single-particle tracking techniques
实时反馈驱动的单粒子跟踪是一种使用反馈控制来实现天然或接近天然环境中自由扩散粒子的单分子光谱学的技术。存在许多不同的RT-FD-SPT方法，并且由于样品和设置的差异，基于实验结果的方法之间的比较是有限的。在这项研究中，我们使用统计计算和动力学模拟直接比较不同方法的性能。所考虑的方法是轨道方法，骑士之旅（网格扫描）方法和MINFLUX，我们认为基于荧光和干涉散射（iSCAT）的方法。精度和速度之间存在根本的权衡，Knight's Tour方法能够跟踪最快的扩散，但精度较低，而MINFLUX是最精确的，但只能跟踪缓慢的扩散。为了比较iSCAT和荧光，考虑了不同的生物样品，包括标记的和固有荧光的样品。与荧光相比，iSCAT的成功在很大程度上取决于荧光颗粒的粒度、密度和物理性质。对iSCAT使用被跟踪颗粒吸收可忽略的波长允许增加照明强度，这导致iSCAT为大多数样品提供更好的跟踪。这项工作突出了在RT-FD-SPT性能的基本方面，并应协助选择一个适当的方法，为特定的应用。所用的方法可以很容易地扩展到其他RT-FD-SPT方法。
2022-09-27 physics.chem-ph physics.ins-det physics.optics
