Dynamic Multiple Nanoparticle Trapping using Metamaterial Plasmonic Tweezers
光学操纵由于其通用性和非侵入性而引起了人们极大的兴趣。然而，传统的光学陷阱仍然效率低下的纳米世界。近年来，等离子体激元的出现在克服衍射限制和对高捕获激光功率的要求方面带来了革命性的变化。在基于近场光阱腔的系统中，Fano共振光镊具有强大的捕获能力。在这项工作中，我们实验证明顺序捕获20纳米粒子通过使用超材料等离子体光镊。我们调查的多重捕获通过陷阱刚度测量在低和高入射激光强度的各种捕获位置。我们的配置可以被用来作为一个光驱动的纳米级分选装置在低激光激发。我们的研究结果提供了一种在不同热点捕获多个纳米颗粒的替代方法，从而实现了在纳米尺度上控制质量传输的新方法。
2020-10-12 physics.optics
Towards absolute calibration of optical tweezers
针对光镊的绝对力标定问题，在对现有理论模型进行评述的基础上，提出并验证了考虑玻璃/水界面球差的Mie-Debye-Spherical Aberration（MDSA）理论的结果。这个第一原理理论完全是根据实验可获得的参数（不可调节）来制定的。仔细的实验测试的MDSA理论，在两个实验室进行，具有非常不同的设置，描述。给出了一个详细的描述所采用的程序来测量激光束腰，本地光束功率在透明的微球被镊子，微球半径和陷阱的横向刚度，作为半径和高度的函数（倒置显微镜）样品室。我们发现，对于从Rayleigh域到大半径的宽尺寸范围（包括实践中最常使用的值）以及不同的腔室高度（无论是客观的过度填充还是填充不足），我们通常与MDSA理论预测非常一致。结果渐近接近几何光学的平均尺寸区间，因为他们应该，这已经发生的尺寸参数不大于1。MDSA预测的捕获阈值，刚度峰的位置，刚度随高度的变化，多个平衡点和“跳跃”的影响，其中进行了验证。剩余的差异归因于焦点退化，可能是由红外线中的物镜像差引起的，尚未包括在MDSA理论中。
2006-12-30 physics.bio-ph physics.optics
Fano-Resonant, Asymmetric, Metamaterial-Assisted Tweezers for Single Nanoparticle Trapping
等离子体纳米结构可以克服阿贝衍射极限以产生强梯度场，从而实现纳米尺寸颗粒的有效光学捕获。然而，在低入射激光强度下实现稳定的捕获仍然具有挑战性。在这里，我们展示了一个法诺共振辅助等离子体光镊（FAPOT），单个纳米粒子捕获在一个阵列的不对称分裂的纳米孔径，研磨在50 nm的金薄膜。通过调节俘获波长和改变入射激光强度实现了稳定的俘获。在930 nm的近共振捕获波长下，对于20 nm的聚苯乙烯颗粒，实现了8.65 fN/nm/mW的非常大的归一化陷阱刚度。我们发现，陷阱的共振刚度提高了63倍，相比非共振条件。这可以归因于超小的模体积，这使得大的近场强度和腔Purcell效应的贡献。这些结果将有助于在低入射捕获激光强度下实现强捕获，从而为研究单分子（如蛋白质、DNA或病毒）的跃迁路径提供新的选择。
2020-01-23 physics.app-ph physics.optics
Disruptive Forces in Metamaterial Tweezers for Trapping 20 nm Nanoparticles Based on Molecular Graphene Quantum Dots
本研究使用超材料等离激元光镊实现了20 nm分子石墨烯量子点纳米颗粒的捕获，发现光强超过临界值会导致约16°C温升并破坏捕获性能，从而确定了安全的光强区间，可用于荧光粒子和量子发射体的纳米定位及单光子源配置。
2024-10-15 physics.app-ph physics.optics
Plasmonic tweezers based on connected nanoring apertures
利用光学力操纵微粒已经在生命科学和物理科学中得到了许多应用。为了扩展光学捕获对纳米政权，在这项工作中，我们证明了捕获单个纳米粒子的阵列中的等离子体同轴纳米孔与各种内部磁盘配置和理论上估计相关的力量。对于20 nm聚苯乙烯颗粒，在980 nm的捕获波长下，对于149 nm的纳米盘直径的最佳设计观察到3.50fN/nm/mW的高归一化实验陷阱刚度。理论模拟被用来解释所观察到的陷阱刚度的增强。在14 $\times$ × 10 $^{11}$粒子/ml的浓度下，在0.59 mW/ $μ$ m $^{2}$的低入射激光强度下，获得小于8秒的快速粒子捕获时间。这种良好的捕获性能与纳米粒子的快速递送到多个捕获位点出现从增强的电磁近场和空间温度增加的组合。这项工作在纳米粒子的输送和捕获具有高精度的应用，并弥合光学操纵和纳米流体之间的差距。
2020-07-17 physics.app-ph 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
Understanding and improving axial detection in optical tweezers based on the interference of forward- and backward- scattered light
CBS Un.Montpellier, CNRS, INSERM（蒙彼利埃大学 CBS、法国国家科学研究中心、法国国家健康与医学研究院）
本文提出了一种考虑后向散射光干涉的模型，用于改进光学镊子中轴向检测的准确性，以更全面地理解并提升其在复杂条件下的应用能力。
2025-11-20 physics.optics
Optimal calibration of optical tweezers with arbitrary integration time and sampling frequencies -- A general framework
本文提出一种基于采样轨迹联合概率密度函数的通用框架，精确修正光镊校准中因有限积分时间和采样频率引起的偏差，为多种校准方法提供理论公式，经实验和模拟验证，扩展了光镊的应用范围。
2023-05-12 physics.ins-det 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
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
Probing the Casimir force with optical tweezers
我们建议使用光镊探测Casimir相互作用的微球内部的液体介质的几何纵横比远远超出了广泛采用的邻近力近似的有效性。这种设置有可能揭示与球面曲率的重要作用相关的前所未有的特征。为了证明概念，我们测量飞秒牛顿的聚苯乙烯微球之间的双层力在距离以上$400$ nm采用非常软的光镊，与刚度的分数的顺序fN/nm。作为一个未来的应用，我们建议调整的Casimir之间的相互作用的金属和聚苯乙烯微球在盐溶液中的吸引力，通过改变盐的浓度排斥。对于这些材料，屏蔽的Casimir相互作用可能比未屏蔽的Casimir相互作用具有更大的幅度。这一系列的研究有可能汇集不同的领域，包括经典和量子光学，统计物理和胶体科学，同时为光镊在细胞和分子生物学中的新的定量应用铺平道路。
2015-11-06 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
On the use of organic semiconductors as handles for optical tweezers experiments: trapping and manipulating polyaniline (PANI) microparticles
本文提出使用有机半导体聚苯胺（PANI）微粒作为光镊实验手柄，首次实现了稳定捕获与操纵，并验证了其光学操纵的可行性，为半导体聚合物材料在光镊应用中开辟了新途径。
2023-03-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
Orientation of Swimming Cells with Annular Beam Optical Tweezers
光镊是一种多功能工具，可用于操纵小颗粒，包括运动和非运动的细菌和细胞。非球形粒子在光束中的取向取决于粒子的形状和光场的形状。通过使用多个光束、雕刻的光场或动态变化的光束，可以控制某些粒子的方向。本文讨论了杆状细菌大肠杆菌（Escherichia coli，E。大肠杆菌）。我们从用于棒状粒子定向的不同光束的例子开始。我们讨论了运动和非运动粒子的取向之间的差异，并探讨环形光束和情况下，他们可能是有益的非球形粒子或细胞的操作。通过模拟，我们绘制出了E。大肠杆菌感染。估计沿轨迹的陷阱刚度使我们能够深入了解中间旋转相对于所需方向的稳定性。利用这种方法，我们预测和实验验证的运动E的取向的变化。大肠杆菌从垂直到近水平，只有一个中间步骤。该方法不是专门探索粒子的方向，可以很容易地扩展到量化的稳定性的任意粒子轨迹。
2019-11-13 physics.bio-ph physics.optics
Quantifying the Role of the Surfactant and the Thermophoretic Force in Plasmonic Nano-Optical Trapping
等离子体纳米镊子使用强烈的电场梯度来产生能够将纳米物体捕获在液体中的光学力。然而，部分入射光被吸收到金属中，并且作用在纳米物体上的补充热泳力由所产生的温度梯度产生。因此，等离子体纳米镊子面临着解开光学和热泳力的复杂贡献的挑战。在这里，我们表明，通常添加的表面活性剂可以通过作用于纳米物体的嗜热或疏热响应来意外地影响陷阱性能。在双纳米孔等离子体激元捕获实验中使用不同的表面活性剂，我们测量并比较了热泳力和光学力的贡献，证明使用十二烷基硫酸钠（SDS）的陷阱刚度比Triton X-100高20倍。这项工作揭示了一个重要的机制，在等离子体纳米镊子，并提供指导方针，以控制和优化不同的等离子体设计的陷阱性能。
2020-11-20 physics.app-ph physics.optics
Dynamically creating asymmetrical potential wells for nanoparticle manipulation
光镊作为捕获和操纵粒子的有力工具，在许多领域得到了广泛的应用。然而，它们的势阱通常是对称的，这限制了它们的光捕获和操纵能力。在这里，我们报告了一种动态创建非对称势阱的方法，通过采用可变的相位梯度产生的全息图。它的深度、刚度和势井位置可以动态控制。此外，纳米粒子的可控传输实验证明，这表明它具有良好的操纵性能。重要的是，它的运动路径，步长和速度可以很容易地通过改变它的全息图，这是非常可取的纳米粒子的可控传输。这项研究为光学操纵提供了一种新的工具，可以大大扩展传统光镊的能力。
2020-10-07 physics.app-ph physics.optics
Physical Bounds on Optical Micromanipulation: Maximal Stiffness in the Dipole Regime
Czech Technical University in Prague（布拉格捷克理工大学）；Polytechnique Montréal（蒙特利尔理工学院）
本文建立偶极子近似下光学捕获力和刚度的理论极限框架，通过球谐函数基和孔径约束两种方法揭示稳定捕获与定向力的帕累托最优权衡，并证明优化孔径场可超越标准高斯光束的性能瓶颈。
2026-06-08 physics.comp-ph physics.optics
Realization of Planar Optical Tweezer (2D-LOT) Powered by Light Sheet
本文提出并实现首个光片驱动的二维平面光镊2D-LOT，通过正交宽场成像验证其对微珠和NIH3T3活细胞的平面捕获能力，并测定捕获区域与刚度。
2024-04-16 physics.ins-det physics.optics
Benchmark of the Schmiedl-Seifert optimal protocol with reduced dissipated work and fluctuations in optical tweezers
Instituto de Física de São Carlos, Universidade de São Paulo（圣卡洛斯物理研究所，圣保罗大学）；International Centre for Theory of Quantum Technologies, University of Gdańsk（格但斯克大学国际量子理论中心）；Instituto de Física ‘Gleb Wataghin’, Universidade Estadual de Campinas（坎皮纳斯州立大学格列布·瓦塔金物理研究所）；Université de Lyon, ENS de Lyon, CNRS, Laboratoire de Physique（里昂大学，里昂高等师范学院，法国国家科学研究中心，物理实验室）；Université Claude Bernard Lyon 1, CNRS, Institut Lumière Matière（克洛德·贝尔纳里昂第一大学，法国国家科学研究中心，光物质研究所）
对施密德尔 - 塞弗特有限时间最小功压缩协议进行实验基准测试，通过控制陷阱刚度比较最优协议与线性驱动的功统计，发现其能降低平均功和功方差，在带宽限制驱动下减少波动和高功尾部，关联到高阶累积量及随机热力学控制发展。
2026-07-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.optics
Femtosecond laser-assisted selective holding with ultra-low power for direct manipulation of biological specimens
针对传统高功率连续波光镊易损伤生物样本的问题，提出飞秒激光辅助超低功率选择性捕获技术FLASH-UP，其捕获刚度为连续波光镊的5倍、可低光强工作且不影响致病菌细胞运动性，助力多种生物医学应用。
2024-01-12 physics.bio-ph physics.optics
Optomechanically induced optical trapping system based on photonic crystal cavities
本研究提出基于电介质光子晶体纳米束腔的新型光阱，利用光力学反作用突破传统光阱衍射极限等局限，数值模拟验证其可实现56nm窄阱宽的亚微米颗粒悬浮，光吸收较传统光镊降43倍，还可构建亚衍射极限动态势场，为精密传感和量子实验提供新途径。
2023-04-19 physics.optics
Upper bound to optical forces through the multipolar control of optical beams
Centro de Física de Materiales (CFM), CSIC-EHU（材料物理中心）；University of the Basque Country (EHU)（巴斯克大学）；Donostia International Physics Center（圣塞巴斯蒂安国际物理中心）；LORTEK, Basque Research and Technology Alliance (BRTA)（洛尔特克，巴斯克研究与技术联盟）
基于电磁场的螺旋度多极展开，推导了施加于粒子的最大光学力的通用上界，并应用于稳定阱中的均匀球体，实验实现了三倍力增强。
2026-06-16 physics.optics
Synchronized motion of gold nanoparticles in an optothermal trap
本研究探讨了CTAC表面活性剂溶液中光热阱内金纳米颗粒的受限行为，发现粒子在微米距离上出现径向受限与同步旋转扩散，揭示了表面活性剂环境促成的新力机制，拓展了光热捕获理解并助力纳米组装。
2025-03-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.optics
