เครื่องมือคีบด้วยแสง (เดิมเรียกว่ากับดักแรงไล่ระดับลำแสงเดี่ยว ) เป็นเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่ใช้ ลำแสง เลเซอร์ ที่มีความเข้มสูง ในการจับและเคลื่อนย้ายวัตถุขนาดเล็กและเล็กกว่าระดับจุลภาค เช่นอะตอมอนุภาคนาโนและหยดน้ำ ในลักษณะคล้ายกับแหนบหากวัตถุถูกจับไว้ในอากาศหรือสุญญากาศโดยไม่มีการรองรับเพิ่มเติม ก็สามารถเรียกว่าการลอยตัวด้วยแสงได้

แสงเลเซอร์ก่อให้เกิดแรงดึงดูดหรือแรงผลัก (โดยทั่วไปอยู่ในระดับพิโคนิวตัน ) ขึ้นอยู่กับดัชนีหักเหสัมพัทธ์ระหว่างอนุภาคและตัวกลางโดยรอบ การลอยตัวเป็นไปได้หากแรงของแสงต้านทานแรงโน้มถ่วงอนุภาคที่ถูกดักจับมักมี ขนาด ไมครอนหรือเล็กกว่านั้น อนุภาค ที่เป็นฉนวนและดูดซับแสงก็สามารถถูกดักจับได้เช่นกัน

เครื่องมือจับยึดด้วยแสง (Optical tweezers) ถูกนำไปใช้ในด้านชีววิทยาและการแพทย์ (เช่น การจับและยึดแบคทีเรีย เดี่ยว เซลล์เช่นเซลล์อสุจิหรือเซลล์เม็ดเลือดหรือโมเลกุล เช่นดีเอ็นเอ ) วิศวกรรมนาโนและเคมีนาโน (เพื่อศึกษาและสร้างวัสดุจากโมเลกุล เดี่ยว ) ทัศนศาสตร์ควอนตัมและกลศาสตร์เชิงแสงควอนตัม (เพื่อศึกษาปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคเดี่ยวกับแสง) การพัฒนาเครื่องมือจับยึดด้วยแสงโดยอาร์เธอร์ แอชกินได้รับการยกย่องด้วยรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำ ปี 2018

การตรวจจับการกระเจิงของแสงและแรงไล่ระดับบนอนุภาคขนาดไมครอนได้รับการรายงานครั้งแรกในปี 1970 โดย Arthur Ashkin นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานอยู่ที่Bell Labs [ ^{1 ] หลาย}ปีต่อมา Ashkin และเพื่อนร่วมงานได้รายงานการสังเกตครั้งแรกของสิ่งที่ปัจจุบันเรียกกันทั่วไปว่าแหนบแสง: ลำแสงที่โฟกัสอย่างแน่นหนาซึ่งสามารถยึดอนุภาคขนาดเล็กให้คงที่ในสามมิติได้^{[ 2 ]}ในปี 2018 Ashkin ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากการพัฒนาครั้งนี้

สตีเวน ชูหนึ่งในผู้เขียนบทความสำคัญปี 1986 นี้ได้นำเทคนิคการจับยึดด้วยแสงมาใช้ในงานวิจัยเกี่ยวกับการทำความเย็นและการดักจับอะตอมที่เป็นกลาง^{[ 3 ]}งานวิจัยนี้ทำให้ชูได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1997ร่วมกับโคลด โคเฮน-แทนนูจิและวิลเลียม ดี . ฟิลลิปส์ ^{[ 4 ]}ในการสัมภาษณ์ สตีเวน ชู อธิบายว่าแอชกินเป็นคนแรกที่มองเห็นภาพการจับยึดด้วยแสงเป็นวิธีการดักจับอะตอม^{[ 5 ]}แอชกินสามารถดักจับอนุภาคขนาดใหญ่ได้ (เส้นผ่านศูนย์กลาง 10 ถึง 10,000 นาโนเมตร) แต่เป็นชูที่ได้ขยายเทคนิคเหล่านี้ไปสู่การดักจับอะตอมที่เป็นกลาง (เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.1 นาโนเมตร) โดยใช้แสงเลเซอร์แบบเรโซแนนซ์และกับดักสนามแม่เหล็กแบบไล่ระดับ (ดู กับดักแม่เหล็กแสง )

ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 Arthur Ashkinและ Joseph M. Dziedzic ได้สาธิตการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีนี้กับวิทยาศาสตร์ชีวภาพเป็นครั้งแรก โดยใช้เพื่อดักจับไวรัสโมเสกยาสูบและแบคทีเรียEscherichia coli แต่ละตัว ^{[ 6 ]}ตลอดช่วงทศวรรษ 1990 และหลังจากนั้น นักวิจัยเช่นCarlos Bustamante , James SpudichและSteven Blockได้บุกเบิกการใช้สเปกโทรสโกปีแรงดัก จับด้วย แสงเพื่อจำแนกลักษณะของมอเตอร์ชีวภาพระดับโมเลกุล มอเตอร์ระดับโมเลกุล เหล่านี้ พบได้ทั่วไปในชีววิทยา และมีหน้าที่ในการเคลื่อนที่และการกระทำเชิงกลภายในเซลล์ กับดักแสงช่วยให้นักชีวฟิสิกส์ เหล่านี้ สามารถสังเกตแรงและพลวัตของมอเตอร์ระดับนาโนที่ ระดับ โมเลกุลเดี่ยวได้สเปกโทรสโกปีแรงดักจับด้วยแสงนำไปสู่ความเข้าใจที่มากขึ้นเกี่ยวกับธรรมชาติแบบสุ่มของโมเลกุลที่สร้างแรงเหล่านี้ แนวทางเหล่านี้ถูกนำไปใช้ในภายหลังเพื่อศึกษาแรงที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโมเลกุลชีวภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการพับโปรตีนและโมเลกุลผู้ช่วย

แหนบแสงได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์ในด้านชีววิทยาอื่นๆ ด้วยเช่นกัน มีการใช้แหนบแสงในชีววิทยาสังเคราะห์เพื่อสร้างเครือข่ายเซลล์เทียมที่มีลักษณะคล้ายเนื้อเยื่อ^{[ 7 ]}และเพื่อหลอมรวมเยื่อสังเคราะห์เข้าด้วยกัน^{[ 8 ]}เพื่อเริ่มต้นปฏิกิริยาทางชีวเคมี^{[ 7 ]}นอกจากนี้ยังมีการใช้แหนบแสงอย่างแพร่หลายในการศึกษาทางพันธุกรรม^{[ 9 ]}และการวิจัยเกี่ยวกับโครงสร้างและพลวัตของโครโมโซม^{[ 10 ]}ในปี 2546 เทคนิคแหนบแสงถูกนำมาประยุกต์ใช้ในด้านการคัดแยกเซลล์ โดยการสร้างรูปแบบความเข้มแสงขนาดใหญ่เหนือพื้นที่ตัวอย่าง ทำให้สามารถคัดแยกเซลล์ตามลักษณะทางแสงภายในของเซลล์ได้^{[ 11 ] [ 12 ]}แหนบแสงยังถูกใช้เพื่อตรวจสอบโครงกระดูกเซลล์วัด คุณสมบัติ ความหนืดและความยืดหยุ่นของพอลิเมอร์ชีวภาพ [ ^{13 ] ออ}ร์แกเนลล์ และเซลล์ การทดสอบทางชีวโมเลกุลซึ่งคลัสเตอร์ของอนุภาคนาโนที่เคลือบด้วยลิแกนด์จะถูกดักจับด้วยแสงและตรวจจับด้วยแสงหลังจากการรวมกลุ่มที่เกิดจากโมเลกุลเป้าหมายได้รับการเสนอในปี 2011 ^{[ 14 ]}และได้รับการสาธิตเชิงทดลองในปี 2013 ^{[ 15 ]}

อย่างไรก็ตาม แหนบแสงก็มีข้อเสียอยู่บ้างในการศึกษาทางชีววิทยา เนื่องจากต้องใช้ความเข้มแสงสูงในการดักจับ ตัวอย่างจึงได้รับแสงที่มีความเข้มสูงมาก (10⁶ ^- 10⁹ ^W /cm² ⁾ซึ่งอาจนำไปสู่ผลกระทบทางความร้อนจากแสงและ/หรือปฏิกิริยาเคมีจากแสงที่ไม่พึงประสงค์ นอกจากนี้ยัง อาจเกิดอนุมูล อิสระออกซิเจน (ROS) ในปริมาณมาก ดังนั้น นักวิจัยจึงต้องตระหนักถึงปัญหาเหล่านี้เมื่อวางแผนและอภิปรายเกี่ยวกับการทดลองทางชีววิทยาที่ใช้แหนบแสง^{[ 16 ]}

นอกจากนี้ ยังมีการใช้แหนบแสงเพื่อดักจับ อะตอม ที่ถูกทำให้เย็นด้วยเลเซอร์ในสุญญากาศ โดยส่วนใหญ่ใช้ในวิทยาศาสตร์ควอนตัม ความสำเร็จบางประการในด้านนี้ ได้แก่ การดักจับอะตอมเดี่ยวในปี 2544 ^{[ 17 ]}การดักจับอะตอมแบบ 2 มิติในปี 2545 ^{[ 18 ]}การดักจับ คู่อะตอมที่พันกัน และมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างมากในปี 2553 ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}การดักจับอะตอมแบบ 2 มิติที่ประกอบขึ้นอย่างแม่นยำในปี 2559 ^{[ 22 ] [ 23 ]}และอะตอมแบบ 3 มิติในปี 2561 ^{[ 24 ] [ 25 ]}เทคนิคเหล่านี้ถูกนำมาใช้ในเครื่องจำลองควอนตัมเพื่อสร้างอะตอมแบบโปรแกรมได้จำนวน 196 และ 256 อะตอมในปี 2564 ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}และเป็นแพลตฟอร์มที่มีศักยภาพสำหรับการคำนวณควอนตัม^{[ 18 ] [ 29 ]}

นักวิจัยได้พยายามแปลงแหนบแสงจากเครื่องมือขนาดใหญ่ที่ซับซ้อนให้เป็นเครื่องมือขนาดเล็กและเรียบง่ายกว่า เพื่อให้ผู้ที่มีงบประมาณการวิจัยจำกัดสามารถใช้งานได้^{[ 3 ] [ 30 ]}

เครื่องมือคีบจับด้วยแสง (Optical tweezers) สามารถควบคุม อนุภาค ไดอิเล็กทริก ขนาดนาโนเมตรและไมครอน รวมถึงอะตอมแต่ละตัวได้ โดยใช้แรงขนาดเล็กมากผ่าน ลำแสง เลเซอร์ที่ โฟกัสอย่างแม่นยำ โดยทั่วไปแล้ว ลำแสงจะถูกโฟกัสโดยการส่งผ่านเลนส์ไมโครสโคปบริเวณจุดที่แคบที่สุดของลำแสงที่โฟกัสแล้ว ซึ่งเรียกว่า จุดแคบที่สุดของลำแสง ( beam waist ) ความเข้มของสนามไฟฟ้า ที่สั่น จะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในอวกาศ อนุภาคไดอิเล็กทริกจะถูกดึงดูดไปตามความชันไปยังบริเวณที่มีสนามไฟฟ้าแรงที่สุด ซึ่งก็คือจุดศูนย์กลางของลำแสง แสงเลเซอร์ยังมีแนวโน้มที่จะออกแรงกระทำต่ออนุภาคในลำแสงไปตามทิศทางการแพร่กระจายของลำแสง เนื่องจากการอนุรักษ์โมเมนตัม : โฟตอนที่ถูกดูดซับหรือกระเจิงโดยอนุภาคไดอิเล็กทริกขนาดเล็กจะถ่ายทอดโมเมนตัมให้กับอนุภาคไดอิเล็กทริก สิ่งนี้เรียกว่า แรงกระเจิง และส่งผลให้อนุภาคเคลื่อนที่ไปทางด้านล่างเล็กน้อยจากตำแหน่งที่แน่นอนของจุดแคบที่สุดของลำแสง ดังที่เห็นในภาพ

กับ ดักแสงเป็นเครื่องมือที่มีความไวสูงมากและสามารถควบคุมและตรวจจับการเคลื่อนที่ระดับนาโนเมตรย่อยของอนุภาคไดอิเล็กทริกขนาดเล็กกว่าไมครอนได้^{[ 31 ]}ด้วยเหตุนี้ จึงมักใช้เพื่อควบคุมและศึกษาโมเลกุลเดี่ยวโดยการโต้ตอบกับลูกปัดที่ติดอยู่กับโมเลกุลนั้น การพับและการโต้ตอบของDNAและโปรตีน^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}มักได้รับการศึกษาด้วยวิธีนี้

สำหรับการวัดทางวิทยาศาสตร์เชิงปริมาณ กับดักแสงส่วนใหญ่จะทำงานในลักษณะที่อนุภาคไดอิเล็กทริกแทบจะไม่เคลื่อนที่ไปไกลจากจุดศูนย์กลางของกับดัก เหตุผลก็คือ แรงที่กระทำต่ออนุภาคจะเป็นเชิงเส้นเมื่อเทียบกับการเคลื่อนที่ออกจากจุดศูนย์กลางของกับดัก ตราบใดที่การเคลื่อนที่นั้นมีขนาดเล็ก ในลักษณะนี้ กับดักแสงจึงสามารถเปรียบเทียบได้กับสปริงอย่างง่าย ซึ่งเป็นไปตามกฎของฮุค

คำอธิบายที่ถูกต้องเกี่ยวกับพฤติกรรมการดักจับด้วยแสงนั้นขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาคที่ถูกดักจับเมื่อเทียบกับความยาวคลื่นของแสงที่ใช้ในการดักจับ ในกรณีที่ขนาดของอนุภาคใหญ่กว่าความยาวคลื่นมาก การใช้ทฤษฎีแสงแบบง่ายๆ ก็เพียงพอแล้ว แต่ถ้าความยาวคลื่นของแสงเกินกว่าขนาดของอนุภาคมาก อนุภาคเหล่านั้นสามารถถือได้ว่าเป็นไดโพลไฟฟ้าในสนามไฟฟ้า สำหรับการดักจับด้วยแสงของวัตถุไดอิเล็กทริกที่มีขนาดอยู่ในช่วงใกล้เคียงกับความยาวคลื่นของลำแสงที่ใช้ในการดักจับนั้น แบบจำลองที่ถูกต้องที่สุดจะเกี่ยวข้องกับการใช้สมการแม็กซ์เวลล์แบบขึ้นอยู่กับเวลาหรือแบบฮาร์มอนิกตามเวลาโดยใช้เงื่อนไขขอบเขตที่เหมาะสม

ในกรณีที่เส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคที่ถูกดักจับมีขนาดใหญ่กว่าความยาวคลื่นของแสงอย่างมาก ปรากฏการณ์การดักจับสามารถอธิบายได้โดยใช้ทัศนศาสตร์เชิงรังสี ดังแสดงในรูป รังสีแสงแต่ละเส้นที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์จะหักเหเมื่อเข้าและออกจากลูกปัดไดอิเล็กทริก ส่งผลให้รังสีจะออกไปในทิศทางที่แตกต่างจากทิศทางที่มันเริ่มต้น เนื่องจากแสงมีโมเมนตัมการเปลี่ยนแปลงทิศทางนี้จึงบ่งชี้ว่าโมเมนตัมของแสงได้เปลี่ยนไป ตามกฎข้อที่สามของนิวตันจะต้องมีการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมที่เท่ากันและตรงข้ามกันบนอนุภาคด้วย

กับดักแสงส่วนใหญ่ทำงานด้วยลำแสงเกาส์เซียน (โหมด TEM ₀₀ ) ที่มีความเข้มแสงเฉพาะตัว ในกรณีนี้ หากอนุภาคถูกเคลื่อนย้ายออกจากจุดศูนย์กลางของลำแสง ดังเช่นในส่วนด้านขวาของภาพ อนุภาคจะมีแรงสุทธิดึงกลับไปยังจุดศูนย์กลางของกับดัก เนื่องจากลำแสงที่มีความเข้มสูงกว่าจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมไปทางจุดศูนย์กลางของกับดักมากกว่าลำแสงที่มีความเข้มต่ำกว่า ซึ่งจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมออกไปจากจุดศูนย์กลางของกับดักน้อยกว่า การเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมสุทธิหรือแรงสุทธิจะดึงอนุภาคกลับไปยังจุดศูนย์กลางของกับดัก

หากอนุภาคอยู่ตรงกลางลำแสง รังสีแสงแต่ละเส้นจะหักเหผ่านอนุภาคอย่างสมมาตร ส่งผลให้ไม่มีแรงด้านข้างสุทธิ แรงสุทธิในกรณีนี้จะอยู่ตามแนวแกนของกับดัก ซึ่งจะหักล้างกับแรงกระเจิงของแสงเลเซอร์ การหักล้างกันของแรงไล่ระดับตามแนวแกนนี้กับแรงกระเจิงนี่เองที่ทำให้ลูกปัดถูกดักจับอย่างมั่นคงในตำแหน่งที่อยู่ห่างจากจุดแคบที่สุดของลำแสงเล็กน้อย

แหนบมาตรฐานทำงานโดยใช้เลเซอร์ดักจับที่แพร่กระจายไปในทิศทางของแรงโน้มถ่วง^{[ 35 ]}และแหนบแบบกลับด้านทำงานต้านแรงโน้มถ่วง

ในกรณีที่เส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคที่ถูกดักจับมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงอย่างมาก เงื่อนไขสำหรับการกระเจิงแบบเรย์ลีจะได้รับการตอบสนอง และอนุภาคนั้นสามารถถือได้ว่าเป็นไดโพล จุด ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ที่ไม่สม่ำเสมอ แรงที่กระทำต่อประจุเดี่ยวในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเรียกว่าแรงลอเรนซ์

${\displaystyle \mathbf {F_{1}} =q\left(\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})+{\frac {d\mathbf {x_{1}} }{dt}}\times \mathbf {B} \right).}$

แรงที่กระทำต่อไดโพลสามารถคำนวณได้โดยการแทนค่าสนามไฟฟ้าสองพจน์ในสมการข้างต้น โดยแต่ละพจน์แทนประจุหนึ่งตัวการโพลาไรเซชันของไดโพลคือโดยที่คือระยะห่างระหว่างประจุทั้งสอง สำหรับไดโพลแบบจุด ระยะห่างนั้นเล็กน้อยมากเมื่อพิจารณาว่าประจุทั้งสองมีเครื่องหมายตรงข้ามกัน แรงจะมีรูปแบบดังนี้ ${\displaystyle \mathbf {p} =q\mathbf {d} ,}$${\displaystyle \mathbf {d} }$${\displaystyle \mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2}.}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {F} &=q\left(\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})-\mathbf {E} (\mathbf {x} _{2})+{\frac {d(\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2})}{dt}}\times \mathbf {B} \right)\\&=q\left(\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})+\left((\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2})\cdot \nabla \right)\mathbf {E} -\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})+{\frac {d(\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2})}{dt}}\times \mathbf {B} \right).\\\end{aligned}}}$

สังเกตว่าค่าทั้งสองหักล้างกัน การคูณด้วยประจุจะแปลงตำแหน่งไปเป็นค่า โพลาไรเซ ชัน ${\displaystyle \mathbf {E_{1}} }$${\displaystyle q}$${\displaystyle \mathbf {x} }$${\displaystyle \mathbf {p} }$

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {F} &=\left(\mathbf {p} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} +{\frac {d\mathbf {p} }{dt}}\times \mathbf {B} \\&=\alpha \left[\left(\mathbf {E} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} +{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right],\\\end{aligned}}}$

โดยในความเท่าเทียมกันข้อที่สอง ได้มีการสมมติว่าอนุภาคไดอิเล็กทริกเป็นเชิงเส้น (เช่น) ${\displaystyle \mathbf {p} =\alpha \mathbf {E} }$

ในขั้นตอนสุดท้าย จะใช้ความเท่าเทียมกันสองประการ: (1) ความเท่าเทียมกันของการวิเคราะห์เวกเตอร์ (2) กฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์

1. ${\displaystyle \left(\mathbf {E} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} =\nabla \left({\frac {1}{2}}E^{2}\right)-\mathbf {E} \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)}$
2. ${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}$

ขั้นแรก จะมีการแทรกความเท่าเทียมกันของเวกเตอร์สำหรับพจน์แรกในสมการแรงข้างต้น สมการของแม็กซ์เวลล์จะถูกแทนที่สำหรับพจน์ที่สองในความเท่าเทียมกันของเวกเตอร์ จากนั้นพจน์ทั้งสองที่มีอนุพันธ์เทียบกับเวลาสามารถรวมกันเป็นพจน์เดียวได้^{[ 36 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {F} &=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}-\mathbf {E} \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)+{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right]\\&=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}-\mathbf {E} \times \left(-{\frac {d\mathbf {B} }{dt}}\right)+{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right]\\&=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}+{\frac {d}{dt}}\left(\mathbf {E} \times \mathbf {B} \right)\right].\\\end{aligned}}}$

พจน์ที่สองในความเท่าเทียมกันสุดท้ายคืออนุพันธ์เทียบกับเวลาของปริมาณที่สัมพันธ์กันผ่านค่าคงที่การคูณกับเวกเตอร์ Poyntingซึ่งอธิบายกำลังต่อหน่วยพื้นที่ที่ผ่านพื้นผิว เนื่องจากกำลังของเลเซอร์คงที่เมื่อสุ่มตัวอย่างในช่วงความถี่ที่ยาวกว่าความถี่ของแสงเลเซอร์มาก ~10 ¹⁴ Hz อนุพันธ์ของพจน์นี้จึงมีค่าเฉลี่ยเป็นศูนย์ และสามารถเขียนแรงได้เป็น^{[ 37 ]}

${\displaystyle \mathbf {F} ={\frac {1}{2}}\alpha \nabla E^{2}={\frac {2\pi n_{1}a^{3}}{c}}\left({\frac {m^{2}-1}{m^{2}+2}}\right)\nabla I(\mathbf {r} ),}$

ในส่วนที่สอง เราได้รวมโมเมนต์ไดโพลเหนี่ยวนำ (ในหน่วย MKS) ของอนุภาคไดอิเล็กทริกทรงกลมไว้ด้วยโดยที่คือรัศมีของอนุภาคคือดัชนีหักเหของอนุภาค และคือดัชนีหักเหสัมพัทธ์ระหว่างอนุภาคกับตัวกลาง กำลังสองของขนาดของสนามไฟฟ้าเท่ากับความเข้มของลำแสงเป็นฟังก์ชันของตำแหน่ง ดังนั้น ผลลัพธ์จึงบ่งชี้ว่าแรงที่กระทำต่ออนุภาคไดอิเล็กทริก เมื่อพิจารณาว่าเป็นไดโพลจุด จะเป็นสัดส่วนกับความชันตามความเข้มของลำแสง กล่าวอีกนัยหนึ่ง แรงความชันที่อธิบายไว้ที่นี่มีแนวโน้มที่จะดึงดูดอนุภาคไปยังบริเวณที่มีความเข้มสูงสุด ในความเป็นจริง แรงกระเจิงของแสงจะทำงานต้านกับแรงความชันในทิศทางแกนของกับดัก ส่งผลให้ตำแหน่งสมดุลเคลื่อนที่ไปทางด้านล่างเล็กน้อยจากจุดสูงสุดของความเข้ม ภายใต้การประมาณของเรย์ลี เราสามารถเขียนแรงกระเจิงได้ดังนี้ ${\displaystyle \mathbf {p} =\alpha \mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)=4\pi n_{1}^{2}\epsilon _{0}a^{3}(m^{2}-1)/(m^{2}+2)\mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)}$${\displaystyle a}$${\displaystyle n_{0}}$${\displaystyle m=n_{0}/n_{1}}$

${\displaystyle \mathbf {F} _{\text{scat}}(\mathbf {r} )={\frac {k^{4}\alpha ^{2}}{6\pi cn_{0}^{3}\epsilon _{0}^{2}}}I(\mathbf {r} ){\hat {z}}={\frac {8\pi n_{0}k^{4}a^{6}}{3c}}\left({\frac {m^{2}-1}{m^{2}+2}}\right)^{2}I(\mathbf {r} ){\hat {z}}.}$

เนื่องจากการกระเจิงเป็นแบบไอโซโทรปิก โมเมนตัมสุทธิจึงถูกถ่ายโอนไปในทิศทางข้างหน้า ในระดับควอนตัม เราจินตนาการถึงแรงเกรเดียนต์ว่าเป็นการกระเจิงแบบเรย์ลีไปข้างหน้าซึ่งโฟตอนที่เหมือนกันถูกสร้างขึ้นและถูกทำลายไปพร้อมกัน ในขณะที่ในแรงกระเจิง (การแผ่รังสี) โฟตอนที่ตกกระทบจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกันและ 'กระเจิง' แบบไอโซโทรปิก โดยการอนุรักษ์โมเมนตัม อนุภาคจะต้องสะสมโมเมนตัมดั้งเดิมของโฟตอน ทำให้เกิดแรงไปข้างหน้าในโฟตอนเหล่านั้น^{[ 38 ]}

วิธีที่มีประโยชน์ในการศึกษาปฏิสัมพันธ์ของอะตอมในลำแสงเกาส์เซียนคือการพิจารณาการประมาณค่าศักย์ฮาร์มอนิกของโปรไฟล์ความเข้มที่อะตอมได้รับ ในกรณีของอะตอมสองระดับ ศักย์ที่อะตอมได้รับจะสัมพันธ์กับค่าAC Stark Shiftของ มัน

${\displaystyle \mathbf {\Delta E} _{\text{AC Stark}}={\frac {3\pi c^{2}\Gamma }{2\omega _{0}^{3}\delta }}\mathbf {I(r,z)} }$

โดยที่คือความกว้างของเส้นสเปกตรัมตามธรรมชาติของสถานะกระตุ้นคือค่าคู่ควบไดโพลไฟฟ้าคือความถี่ของการเปลี่ยนสถานะ และคือค่าเบี่ยงเบนหรือความแตกต่างระหว่างความถี่ของเลเซอร์และความถี่ของการเปลี่ยนสถานะ ${\displaystyle \Gamma }$${\displaystyle \mu }$${\displaystyle \omega _{o}}$${\displaystyle \delta }$

ความเข้มของลำแสงเกาส์เซียนนั้นถูกกำหนดโดยความยาวคลื่นความกว้างต่ำสุดและกำลังของลำแสงสูตรต่อไปนี้ใช้กำหนดลักษณะของลำแสง: ${\displaystyle (\lambda )}$${\displaystyle (w_{o})}$${\displaystyle (P_{o})}$

${\displaystyle I(r,z)=I_{0}\left({\frac {w_{0}}{w(z)}}\right)^{2}e^{-{\frac {2r^{2}}{w^{2}(z)}}}}$

${\displaystyle w(z)=w_{0}{\sqrt {1+\left({\frac {z}{z_{R}}}\right)^{2}}}}$

${\displaystyle z_{R}={\frac {\pi w_{0}^{2}}{\lambda }}}$

${\displaystyle P_{0}={\frac {1}{2}}\pi I_{0}w_{0}^{2}}$

เพื่อประมาณค่าศักยภาพเกาส์เซียนนี้ทั้งในทิศทางรัศมีและทิศทางแกนของลำแสง โปรไฟล์ความเข้มจะต้องถูกขยายไปถึงอันดับที่สองในและสำหรับและตามลำดับ และเทียบเท่ากับศักยภาพฮาร์มอนิกการขยายเหล่านี้ได้รับการประเมินโดยสมมติว่ากำลังคงที่ ${\displaystyle z}$${\displaystyle r}$${\displaystyle r=0}$${\displaystyle z=0}$${\displaystyle {\frac {1}{2}}m(\omega _{z}^{2}z^{2}+\omega _{r}^{2}r^{2})}$

${\displaystyle {\frac {1}{2!}}{\frac {\partial ^{2}U}{\partial z^{2}}}{\Biggr |}_{r,z=0}z^{2}={\frac {\alpha }{2\epsilon _{0}c}}{\frac {2P_{0}\lambda ^{2}}{\pi ^{3}w_{0}^{6}}}z^{2}={\frac {1}{2}}m\omega _{z}^{2}z^{2}}$

${\displaystyle {\frac {1}{2!}}{\frac {\partial ^{2}U}{\partial r^{2}}}{\Biggr |}_{r,z=0}r^{2}={\frac {\alpha }{2\epsilon _{0}c}}{\frac {4P_{0}}{\pi w_{0}^{4}}}r^{2}={\frac {1}{2}}m\omega _{r}^{2}r^{2}}$

หมายความว่า เมื่อแก้สมการหาความถี่ฮาร์มอนิก (หรือความถี่ดักจับ เมื่อพิจารณาถึงกับดักแสงสำหรับอะตอม) ความถี่จะมีค่าดังนี้:

${\displaystyle \omega _{r}={\sqrt {\frac {4\alpha P_{0}}{\pi \epsilon _{0}cmw_{0}^{4}}}}}$

${\displaystyle \omega _{z}={\sqrt {\frac {2\alpha P_{0}\lambda ^{2}}{m\pi ^{3}\epsilon _{0}cw_{0}^{6}}}}}$

ดังนั้นความถี่การดักจับสัมพัทธ์สำหรับทิศทางรัศมีและแกนตามมาตราส่วนเอวลำแสงเท่านั้นจึงเป็นดังนี้:

${\displaystyle {\frac {\omega _{r}}{\omega _{z}}}={\sqrt {2}}{\frac {w_{0}\pi }{\lambda }}}$

เพื่อให้อนุภาคสามารถลอยอยู่ในอากาศได้ แรงโน้มถ่วงที่ดึงลงมาจะต้องถูกหักล้างด้วยแรงที่เกิดจาก การถ่ายโอน โมเมนตัม ของ โฟตอน โดยทั่วไปแล้ว แรงดันรังสีโฟตอนจากลำแสงเลเซอร์ที่โฟกัสอย่างเข้มข้นเพียงพอจะหักล้างแรงโน้มถ่วงที่ดึงลงมา ในขณะเดียวกันก็ป้องกันความไม่เสถียรในแนวด้านข้าง (ซ้ายขวา) และแนวตั้ง ทำให้เกิดกับดักแสงที่ เสถียร ซึ่งสามารถกักอนุภาคขนาดเล็กไว้ในอากาศได้

ในการทดลองประเภทนี้ จะใช้ทรงกลมไดอิเล็กทริกโปร่งใสขนาดไมโครเมตร (ตั้งแต่หลายไมโครเมตรถึง 50 ไมโครเมตรในเส้นผ่านศูนย์กลาง) เช่น ทรงกลม ซิลิกาหลอมเหลว หยด น้ำมัน หรือหยดน้ำ รังสีเลเซอร์สามารถกำหนด ความยาวคลื่น ได้คงที่ เช่น เลเซอร์ไอออนอาร์กอน หรือเลเซอร์ย้อมสี ที่ปรับได้ กำลังเลเซอร์ที่ต้องการอยู่ที่ประมาณ 1 วัตต์โดยโฟกัสไปที่จุดขนาดหลายสิบไมโครเมตร ปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับเรโซแนนซ์ที่ขึ้นอยู่กับรูปร่างใน โพรงแสง ทรง กลมได้ รับการศึกษาโดยกลุ่มวิจัยหลายกลุ่ม

สำหรับวัตถุที่เป็นประกาย เช่น ไมโครสเฟียร์โลหะ การลอยตัวด้วยแสงที่เสถียรยังไม่สามารถทำได้ การลอยตัวด้วยแสงของวัตถุขนาดใหญ่ก็เป็นไปได้ในทางทฤษฎีเช่นกัน^{[ 39 ]}และสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้ด้วยการสร้างโครงสร้างระดับนาโน^{[ 40 ]}

วัสดุที่ลอยตัวได้สำเร็จ ได้แก่ น้ำยาดำ อะลูมิเนียมออกไซด์ ทังสเตน และนิกเกล^{[ 41 ]}

ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา แรงทางแสงถูกรวมเข้ากับแรงเทอร์โมโฟเรซิสเพื่อให้สามารถดักจับได้ที่กำลังเลเซอร์ลดลง ส่งผลให้ความเสียหายจากโฟตอนลดลง โดยการนำองค์ประกอบที่ดูดซับแสง (ไม่ว่าจะเป็นอนุภาคหรือพื้นผิว) มาใช้ จะทำให้เกิดการไล่ระดับอุณหภูมิในระดับไมโคร ส่งผลให้เกิดเทอร์โมโฟเรซิส [ ^{42 ] โดย}ทั่วไป อนุภาค (รวมถึงวัตถุทางชีวภาพ เช่น เซลล์ แบคทีเรีย DNA/RNA) จะเคลื่อนที่ไปยังบริเวณที่เย็นกว่า ส่งผลให้เกิดการผลักอนุภาคโดยใช้แหนบแสง เพื่อเอาชนะข้อจำกัดนี้ จึงมีการใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การปรับรูปร่างลำแสงและการดัดแปลงสารละลายด้วยอิเล็กโทรไลต์และสารลดแรงตึงผิว^{[ 43 ]}เพื่อดักจับวัตถุได้สำเร็จ การระบายความร้อนด้วยเลเซอร์ยังทำได้โดยใช้ผลึกอิตเทอร์เบียมเจือยิตเทรียมลิเธียมฟลูออไรด์เพื่อสร้างจุดเย็นโดยใช้เลเซอร์เพื่อให้ได้การดักจับโดยลดการฟอกสี ด้วยแสง ^{[ 44 ]} อุณหภูมิของตัวอย่างยังลดลงเพื่อให้ได้การดักจับด้วยแสงสำหรับการเลือกอนุภาคที่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญโดยใช้แหนบแสงความร้อนสำหรับ การประยุกต์ ใช้ในการส่งยา^{[ 45 ]}

การตั้งค่าแหนบแสงขั้นพื้นฐานที่สุดมักจะประกอบด้วยส่วนประกอบต่อไปนี้: เลเซอร์ (โดยทั่วไปคือNd:YAG ), ตัวขยายลำแสง, เลนส์บางชนิดที่ใช้ในการกำหนดตำแหน่งของลำแสงในระนาบตัวอย่าง, เลนส์วัตถุและคอนเดนเซอร์ ของกล้องจุลทรรศน์ เพื่อสร้างกับดักในระนาบตัวอย่าง, ตัวตรวจจับตำแหน่ง (เช่น โฟโตไดโอดแบบควอดแรนต์ ) เพื่อวัดการเคลื่อนที่ของลำแสง และแหล่งกำเนิดแสงของกล้องจุลทรรศน์ที่เชื่อมต่อกับกล้อง CCD (โดยทั่วไปผ่านทางตัวยึดแบบออปติ คอล ) ^{[ 46 ]}

เลเซอร์ Nd :YAG (ความยาวคลื่น 1064 นาโนเมตร) เป็นตัวเลือกเลเซอร์ที่นิยมใช้ในการทำงานกับตัวอย่างทางชีวภาพ เนื่องจากตัวอย่างดังกล่าว (ส่วนใหญ่เป็นน้ำ) มีค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับ ต่ำ ที่ความยาวคลื่นนี้^{[ 47 ]}การดูดซับต่ำเป็นสิ่งที่ควรพิจารณาเพื่อลดความเสียหายต่อวัสดุชีวภาพ ซึ่งบางครั้งเรียกว่าopticutionบางทีสิ่งที่สำคัญที่สุดในการออกแบบแหนบแสงคือการเลือกเลนส์วัตถุ กับดักที่เสถียรต้องอาศัยแรงไล่ระดับ ซึ่งขึ้นอยู่กับค่ารูรับแสงเชิงตัวเลข (NA)ของเลนส์วัตถุ มีค่ามากกว่าแรงกระเจิง เลนส์วัตถุที่เหมาะสมโดยทั่วไปจะมีค่า NA ระหว่าง 1.2 ถึง 1.4 ^{[ 48 ]}

แม้ว่าจะมีวิธีการอื่นให้เลือกใช้ แต่บางทีวิธีที่ง่ายที่สุดสำหรับการตรวจจับตำแหน่งก็คือการสร้างภาพลำแสงเลเซอร์ดักจับที่ออกจากห้องตัวอย่างไปยังโฟโตไดโอดแบบควอดแรนต์ การเบี่ยงเบนด้านข้างของลำแสงจะถูกวัดในลักษณะเดียวกับที่ทำโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM )

การขยายลำแสงที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์ให้เต็มรูรับแสงของเลนส์วัตถุจะทำให้ได้จุดที่แคบลงและจำกัดด้วยการเลี้ยวเบน^{[ 49 ]}ในขณะที่การเลื่อนด้านข้างของกับดักเทียบกับตัวอย่างสามารถทำได้โดยการเลื่อนสไลด์กล้องจุลทรรศน์ แต่การตั้งค่าแหนบส่วนใหญ่จะมีเลนส์เพิ่มเติมที่ออกแบบมาเพื่อเลื่อนลำแสงเพื่อให้มีอิสระในการเลื่อนเพิ่มขึ้นอีกระดับหนึ่ง ซึ่งสามารถทำได้โดยการเลื่อนเลนส์ตัวแรกจากสองตัวที่ติดป้ายว่า "การควบคุมทิศทางลำแสง" ในรูป ตัวอย่างเช่น การเลื่อนเลนส์นั้นในระนาบด้านข้างจะทำให้ลำแสงเบี่ยงเบนไปด้านข้างจากที่วาดไว้ในรูป หากเลือกระยะห่างระหว่างเลนส์ควบคุมทิศทางลำแสงกับเลนส์วัตถุอย่างเหมาะสม จะทำให้เกิดการเบี่ยงเบนที่คล้ายกันก่อนเข้าสู่เลนส์วัตถุและส่งผลให้เกิดการเลื่อนด้านข้างในระนาบของตัวอย่าง ตำแหน่งของเอวลำแสง ซึ่งก็คือจุดโฟกัสของกับดักแสง สามารถปรับได้โดยการเคลื่อนที่ตามแนวแกนของเลนส์ตัวแรก การเคลื่อนตัวตามแนวแกนดังกล่าวทำให้ลำแสงกระจายหรือรวมเข้าเล็กน้อย ซึ่งส่งผลให้ตำแหน่งของเอวลำแสงในห้องตัวอย่างเคลื่อนตัวไปตามแนวแกน^{[ 50 ]}

โดยปกติแล้ว การมองเห็นระนาบของตัวอย่างจะทำได้โดยการส่องสว่างผ่านแหล่งกำเนิดแสงแยกต่างหากที่ต่อเข้ากับเส้นทางแสงในทิศทางตรงกันข้ามโดยใช้กระจกไดโครอิกแสงนี้จะตกกระทบกล้อง CCD และสามารถดูได้บนจอภาพภายนอก หรือใช้สำหรับการติดตามตำแหน่งของอนุภาคที่ถูกดักจับผ่าน การ ติดตาม วิดีโอ

เครื่องมือจับยึดด้วยแสงส่วนใหญ่ใช้ลำแสงเกาส์เซียนแบบดั้งเดิม (TEM ₀₀ ) อย่างไรก็ตาม มีการใช้ลำแสงประเภทอื่นๆ อีกหลายชนิดในการดักจับอนุภาค รวมถึงลำแสงเลเซอร์ลำดับสูง เช่นลำแสงเฮอร์ไมต์-เกาส์เซียน (TEM _xy ) ลำแสงลากู ร์ -เกาส์เซียน (LG) (TEM _pl ) และลำแสงเบสเซล

แหนบแสงที่ใช้ลำแสง Laguerre-Gaussian มีความสามารถพิเศษในการดักจับอนุภาคที่มีการสะท้อนและดูดซับแสง^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]} ลำแสง Laguerre-Gaussian ยังมี โมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรที่กำหนดไว้อย่างดีซึ่งสามารถหมุนอนุภาคได้^{[ 54 ] [ 55 ]}ซึ่งทำได้โดยไม่ต้องใช้การควบคุมทางกลหรือทางไฟฟ้าจากภายนอกของลำแสง

ลำแสงเบสเซลทั้งลำดับศูนย์และลำดับที่สูงกว่ายังมีคุณสมบัติในการจับยึดที่เป็นเอกลักษณ์ พวกมันสามารถจับและหมุนอนุภาคหลายอนุภาคที่อยู่ห่างกันเพียงไม่กี่มิลลิเมตรและแม้กระทั่งรอบสิ่งกีดขวางได้^{[ 56 ]}

ไมโครแมชชีนสามารถขับเคลื่อนได้ด้วยลำแสงออปติคอลที่เป็นเอกลักษณ์เหล่านี้เนื่องจากกลไกการหมุนโดยธรรมชาติอันเนื่องมาจากการหมุนและโมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรของแสง ^{[ 57 ]}

โดยทั่วไป การตั้งค่าจะใช้เลเซอร์หนึ่งตัวเพื่อสร้างกับดักหนึ่งหรือสองตัว โดยทั่วไปจะสร้างกับดักสองตัวโดยการแบ่งลำแสงเลเซอร์ออกเป็นลำแสงโพลาไรซ์ตั้งฉากสองลำ การดำเนินการจับยึดด้วยแสงที่มีกับดักมากกว่าสองตัวสามารถทำได้โดยการแบ่งเวลาลำแสงเลเซอร์เดียวให้กับแหนบแสงหลายตัว^{[ 58 ]}หรือโดยการแบ่งลำแสงแบบเลี้ยวเบนออกเป็นกับดักหลายตัว ด้วยตัวเบี่ยงเบนอะคูสโตออปติกหรือ กระจกที่ขับเคลื่อนด้วย กัลวาโนมิเตอร์ลำแสงเลเซอร์เดียวสามารถแบ่งให้กับแหนบแสงหลายร้อยตัวในระนาบโฟกัส หรือกระจายออกเป็นกับดักแบบหนึ่งมิติที่ขยายออกไป องค์ประกอบทางแสงแบบเลี้ยวเบนที่ออกแบบมาเป็นพิเศษสามารถแบ่งลำแสงอินพุตเดียวออกเป็นกับดักที่ส่องสว่างอย่างต่อเนื่องหลายร้อยตัวในรูปแบบสามมิติที่กำหนดได้ โฮโลแกรมที่สร้างกับดักยังสามารถระบุโครงสร้างโหมดของแต่ละกับดักได้ทีละตัว จึงสามารถสร้างอาร์เรย์ของกระแสน้ำวนแสง แหนบแสง และกับดักเส้นโฮโลแกรมได้ เป็นต้น^{[ 59 ]}เมื่อใช้งานร่วมกับตัวปรับแสงเชิงพื้นที่กับดักแสงโฮโลแกรมดังกล่าวยังสามารถเคลื่อนย้ายวัตถุในสามมิติได้ อีกด้วย ^{[ 60 ]}กับดักแสงโฮโลแกรมรูปแบบขั้นสูงที่มีโปรไฟล์เชิงพื้นที่ตามอำเภอใจ ซึ่งสามารถควบคุมความเรียบของความเข้มและเฟสได้ พบการประยุกต์ใช้ในหลายสาขาวิทยาศาสตร์ ตั้งแต่การจัดการระดับไมโครไปจนถึงอะตอมเย็นยิ่งยวด [ ^{61 ] อะตอม} เย็นยิ่งยวดยังสามารถใช้ในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้อีกด้วย^{[ 62 ]}

กับดักแสงไฟเบอร์ออปติกมาตรฐานอาศัยหลักการเดียวกับการดักจับด้วยแสง แต่ใช้ลำแสงเลเซอร์แบบเกาส์เซียนที่ส่งผ่านใยแก้วนำแสงหากปลายด้านหนึ่งของใยแก้วนำแสงถูกขึ้นรูปเป็น เหลี่ยมคล้าย เลนส์ลำแสงเกาส์เซียนที่เกือบสมบูรณ์แบบซึ่งส่งผ่านใยแก้วนำแสงแบบโหมดเดี่ยวมาตรฐานจะถูกโฟกัสที่ระยะห่างจากปลายใยแก้วนำแสง ค่ารูรับแสงเชิงตัวเลขที่มีประสิทธิภาพของชุดประกอบดังกล่าวโดยทั่วไปไม่เพียงพอที่จะทำให้ได้กับดักแสงแบบ 3 มิติที่สมบูรณ์ แต่เป็นเพียงกับดักแบบ 2 มิติเท่านั้น (การดักจับและการจัดการวัตถุด้วยแสงจะทำได้ก็ต่อเมื่อวัตถุสัมผัสกับพื้นผิวเท่านั้น) ^{[ 63 ]} การดักจับด้วยแสงแบบ 3 มิติที่แท้จริงโดยใช้ใยแก้วนำแสงเส้นเดียว โดยมีจุดดักจับที่ไม่ได้สัมผัสกับปลายใยแก้วนำแสงเกือบทั้งหมด ได้รับการสร้างขึ้นโดยอาศัยการจัดเรียงใยแก้วนำแสงแบบแกนวงแหวนที่ไม่เป็นมาตรฐานและรูปทรงเรขาคณิตแบบสะท้อนภายในทั้งหมด^{[ 64 ]}

ในทางกลับกัน หากปลายของเส้นใยไม่ได้ถูกขึ้นรูป เลเซอร์ที่ออกจากเส้นใยจะกระจายออก ดังนั้นกับดักแสงที่เสถียรจึงเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีการปรับสมดุลระหว่างแรงไล่ระดับและแรงกระเจิงจากปลายเส้นใยทั้งสองที่อยู่ตรงข้ามกัน แรงไล่ระดับจะดักจับอนุภาคในทิศทางตามขวาง ในขณะที่ แรงแสงตาม แนวแกนมาจากแรงกระเจิงของลำแสงสองลำที่เคลื่อนที่สวนทางกันซึ่งออกมาจากเส้นใยทั้งสอง ตำแหน่ง z ที่สมดุลของอนุภาคที่ถูกดักจับดังกล่าวคือตำแหน่งที่แรงกระเจิงทั้งสองเท่ากัน งานวิจัยนี้ริเริ่มโดย A. Constable และคณะในOpt. Lett. 18 , 1867 (1993) และต่อมาโดย J. Guck และคณะในPhys. Rev. Lett. 84 , 5451 (2000) ซึ่งได้นำเทคนิคนี้ไปใช้ในการยืดอนุภาคขนาดเล็ก โดยการควบคุมกำลังไฟฟ้าขาเข้าที่ปลายทั้งสองข้างของเส้นใย จะทำให้เกิด "การยืดตัวทางแสง" เพิ่มขึ้น ซึ่งสามารถนำมาใช้ในการวัดคุณสมบัติความยืดหยุ่นหนืดของเซลล์ได้ ด้วยความไวที่เพียงพอที่จะแยกแยะความแตกต่างระหว่างฟีโนไทป์ของโครงสร้างเซลล์แต่ละชนิดได้ เช่น เซลล์เม็ดเลือดแดงของมนุษย์และเซลล์ไฟโบรบลาสต์ของหนู

เทคโนโลยี "เครื่องหมุนเซลล์ด้วยแสง" (OCR) แยกการดักจับออกจากระบบเลนส์ถ่ายภาพ การออกแบบแบบโมดูลาร์และความเข้ากันได้สูงของกับดักเลเซอร์แบบกระจายกับวัสดุชีวภาพ แสดงให้เห็นถึงศักยภาพอันยิ่งใหญ่ของกับดักเลเซอร์รุ่นใหม่นี้ในการวิจัยทางการแพทย์และวิทยาศาสตร์ชีวภาพ^{[ 65 ]} OCR ใช้หลักการของเลนส์ปรับได้ทำให้สามารถกำหนดค่ากับดักแสงใหม่แบบไดนามิกในระหว่างการทำงานและปรับให้เข้ากับตัวอย่างได้^{[ 66 ]}

หนึ่งในระบบคัดแยกเซลล์ที่พบได้บ่อยคือระบบที่ใช้การวิเคราะห์ด้วยเครื่องฟลูออเรสเซน ซ์ (flow cytometry ) โดยวิธีการนี้ เซลล์ชีวภาพที่อยู่ในสารละลายจะถูกคัดแยกไปยังภาชนะสองใบหรือมากกว่านั้น โดยอาศัยลักษณะเฉพาะของฟลูออเรสเซนซ์ของแต่ละเซลล์ในระหว่างการไหล จากนั้นจึงทำการคัดแยกเซลล์โดยใช้ประจุไฟฟ้าที่ "ดักจับ" เซลล์ไว้ โดยอาศัยการวัดความเข้มของฟลูออเรสเซนซ์ กระบวนการคัดแยกนี้ดำเนินการโดยระบบเบี่ยงเบนด้วยไฟฟ้าสถิต ซึ่งจะเบี่ยงเบนเซลล์ไปยังภาชนะต่างๆ ตามประจุของเซลล์นั้นๆ

ในกระบวนการคัดแยกที่ขับเคลื่อนด้วยแสง เซลล์จะไหลผ่านเข้าไปในภูมิทัศน์แสง เช่น โครงตาข่ายแสง 2 มิติหรือ 3 มิติ โดยไม่ต้องมีการเหนี่ยวนำประจุไฟฟ้า เซลล์จะคัดแยกตามคุณสมบัติดัชนีหักเหภายใน และสามารถปรับเปลี่ยนโครงสร้างเพื่อการคัดแยกแบบไดนามิกได้ โครงตาข่ายแสงสามารถสร้างได้โดยใช้เลนส์กระจายแสงและองค์ประกอบทางแสง^{[ 11 ]}

ในทางกลับกัน K. Ladavac และคณะได้ใช้ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่เพื่อฉายรูปแบบความเข้มแสงเพื่อเปิดใช้งานกระบวนการคัดแยกด้วยแสง^{[ 67 ]} K. Xiao และ DG Grier ได้ประยุกต์ใช้กล้องจุลทรรศน์วิดีโอโฮโลแกรมเพื่อแสดงให้เห็นว่าเทคนิคนี้สามารถคัดแยกทรงกลมคอลลอยด์ด้วยความละเอียดระดับส่วนต่อพันสำหรับขนาดและดัชนีหักเห^{[ 68 ]}

กลไกหลักในการคัดแยกคือการจัดเรียงจุดของโครงข่ายแสง เมื่อเซลล์ไหลผ่านโครงข่ายแสง จะมีแรงเนื่องจากแรงต้าน ของอนุภาค ที่แข่งขันโดยตรงกับแรงไล่ระดับแสง(ดูฟิสิกส์ของแหนบแสง)จากจุดของโครงข่ายแสง การเปลี่ยนการจัดเรียงจุดของโครงข่ายแสงจะทำให้เกิดเส้นทางแสงที่เหมาะสมซึ่งแรงแสงมีอิทธิพลและเอนเอียงไปทางนั้น ด้วยความช่วยเหลือของการไหลของเซลล์ จะมีแรงลัพธ์ที่พุ่งไปตามเส้นทางแสงที่เหมาะสมนั้น ดังนั้นจึงมีความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหลกับแรงไล่ระดับแสง การปรับแรงทั้งสองนี้จะทำให้ได้ประสิทธิภาพการคัดแยกด้วยแสงที่ดี

การแข่งขันของแรงต่างๆ ในสภาพแวดล้อมการคัดแยกจำเป็นต้องได้รับการปรับแต่งอย่างละเอียดเพื่อให้การคัดแยกด้วยแสงมีประสิทธิภาพสูง ความต้องการส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการสมดุลของแรงต่างๆ ได้แก่ แรงต้านเนื่องจากการไหลของของเหลวและแรงไล่ระดับแสงเนื่องจากการจัดเรียงจุดความเข้มแสง

นักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยเซนต์แอนดรูว์ได้รับเงินทุนจำนวนมากจากสภาวิจัยด้านวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์กายภาพ แห่งสหราชอาณาจักร ( EPSRC ) สำหรับเครื่องคัดแยกด้วยแสง เทคโนโลยีใหม่นี้อาจแข่งขันกับเครื่องคัดแยกเซลล์ที่กระตุ้นด้วยฟลูออเรสเซนซ์แบบดั้งเดิมได้^{[ 69 ]}

สนามเอวาเนสเซนต์ [ ^{70 ] คือ}สนามแสง ตกค้าง ที่ "รั่วไหล" ระหว่างการสะท้อนภายในทั้งหมดการ "รั่วไหล" ของแสงนี้จะจางหายไปในอัตราเลขชี้กำลัง สนามเอวาเนสเซนต์พบการใช้งานหลายอย่างในการสร้างภาพความละเอียดระดับนาโนเมตร (กล้องจุลทรรศน์) การจัดการไมโครออปติก (แหนบออปติก) กำลังมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในการวิจัย

ในแหนบแสง สามารถสร้างสนามเอวาเนสเซนต์ต่อเนื่องได้เมื่อแสงแพร่กระจายผ่านท่อนำแสง ( การสะท้อนภายในทั้งหมด หลายครั้ง ) สนามเอวาเนสเซนต์ที่เกิดขึ้นจะมีทิศทางและจะผลักดันอนุภาคขนาดเล็กไปตามเส้นทางการแพร่กระจาย งานนี้ริเริ่มโดย S. Kawata และ T. Sugiura ในปี 1992 ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสนามสามารถเชื่อมต่อกับอนุภาคที่อยู่ใกล้เคียงได้ในระดับ 100 นาโนเมตร^{[ 71 ]}การเชื่อมต่อโดยตรงของสนามนี้ถือเป็นการทะลุผ่านของโฟตอนชนิดหนึ่งข้ามช่องว่างจากปริซึมไปยังอนุภาคขนาดเล็ก ผลลัพธ์ที่ได้คือแรงผลักดันทางแสงที่มีทิศทาง

สนามเอวาเนสเซนต์ที่สร้างขึ้นโดยเลเซอร์อินฟราเรดช่วงกลางถูกนำมาใช้ในการคัดแยกอนุภาคโดยอาศัยเรโซแนนซ์การสั่นสะเทือนของโมเลกุลอย่างเลือกสรร แสงอินฟราเรดช่วงกลางมักใช้ในการระบุโครงสร้างโมเลกุลของวัสดุ เนื่องจากโหมดการสั่นสะเทือนอยู่ในช่วงอินฟราเรดช่วงกลาง การเพิ่มแรงทางแสงโดยเรโซแนนซ์การสั่นสะเทือนของโมเลกุลสามารถทำได้โดยการกระตุ้นโหมดการยืดของพันธะ Si-O-Si ที่ 9.3 μm ^{[ 72 ]}แสดงให้เห็นว่าไมโครสเฟียร์ซิลิกาที่มีพันธะ Si-O-Si จำนวนมากเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าไมโครสเฟียร์โพลีสไตรีนถึงสิบเท่าเนื่องจากเรโซแนนซ์การสั่นสะเทือนของโมเลกุล นอกจากนี้ กลุ่มเดียวกันนี้ยังได้ตรวจสอบความเป็นไปได้ของโครมาโทกราฟีแรงทางแสงโดยอาศัยเรโซแนนซ์การสั่นสะเทือนของโมเลกุล^{[ 73 ]}

พลาสมอนพื้นผิว ซึ่งเป็นคลื่นเอวาเนสเซนต์ที่ได้รับการปรับปรุงและอยู่เฉพาะที่บริเวณรอยต่อระหว่างโลหะกับไดอิเล็กทริก ได้รับการสาธิตโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงโฟตอนิก โดยพบว่าขนาดของแรงโดยรวมนั้นแข็งแกร่งกว่าคลื่นเอวาเนสเซนต์ปกติถึง 40 เท่า^{[ 74 ]}ด้วยการสร้างลวดลายบนพื้นผิวด้วยเกาะทองคำขนาดเล็ก ทำให้สามารถดักจับแบบเลือกและขนานกันได้ในเกาะเหล่านี้ แรงของแหนบแสงเหล่านี้อยู่ในช่วงเฟมโตนิวตัน^{[ 75 ]}

สนามเอวาเนสเซนต์ยังสามารถใช้เพื่อดักจับอะตอมและโมเลกุลเย็นใกล้พื้นผิวของท่อนำแสงหรือนาโนไฟเบอร์แสงได้ อีกด้วย ^{[ 76 ] [ 77 ]}

หมิง อู๋ ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาการคอมพิวเตอร์ แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์เป็นผู้คิดค้นแหนบออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบใหม่

หวูได้แปลงพลังงานแสงจากไดโอดเปล่งแสง (LED) กำลังต่ำให้เป็นพลังงานไฟฟ้าผ่านพื้นผิวตัวนำแสง แนวคิดคือการทำให้ LED สามารถเปิดและปิดวัสดุตัวนำแสงได้โดยการฉายแสงอย่างละเอียด เนื่องจากรูปแบบแสงสามารถเปลี่ยนแปลงได้ง่ายผ่านการฉายแสง วิธีนี้จึงมีความยืดหยุ่นสูงในการสลับภูมิทัศน์แสงต่างๆ

กระบวนการควบคุม/ดึงอนุภาคเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าที่เกิดจากรูปแบบแสง อนุภาคจะถูกดึงดูดหรือผลักออกจากจุดที่ถูกกระตุ้นเนื่องจากไดโพลไฟฟ้าที่เกิดขึ้น อนุภาคที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวจะไวต่อการไล่ระดับของสนามไฟฟ้า ซึ่งเรียกว่าไดอิเล็กโทรโฟเรซิส

ข้อดีที่เห็นได้ชัดอย่างหนึ่งคือ ค่าการนำไฟฟ้าของเซลล์แต่ละชนิดแตกต่างกัน เซลล์ที่มีชีวิตจะมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำ ในขณะที่เซลล์ที่ตายแล้วจะมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำมากหรือไม่มีเลย ระบบนี้อาจสามารถควบคุมเซลล์หรืออนุภาคได้ประมาณ 10,000 เซลล์พร้อมกัน

ดูความเห็นของศาสตราจารย์ Kishan Dholakia เกี่ยวกับเทคนิคใหม่นี้ได้ที่ K. Dholakia, Nature Materials 4, 579–580 (01 ส.ค. 2548) ข่าวและความคิดเห็น

"ระบบสามารถเคลื่อนย้ายแบคทีเรีย E. coli ที่มีชีวิตและอนุภาคขนาดกว้าง 20 ไมโครเมตรได้โดยใช้กำลังแสงน้อยกว่า 10 ไมโครวัตต์ ซึ่งน้อยกว่ากำลังแสงที่จำเป็นสำหรับแหนบแสง [โดยตรง] ถึงหนึ่งในแสน" ^{[ 78 ]}

แหนบแสงชนิดใหม่ที่น่าสนใจอีกชนิดหนึ่งคือแหนบแสงความร้อนที่คิดค้นโดย Yuebing Zheng ที่มหาวิทยาลัยเท็กซัสที่ออสตินกลยุทธ์คือการใช้แสงเพื่อสร้างการไล่ระดับอุณหภูมิและใช้ประโยชน์จากการเคลื่อนที่ของสสารด้วยความร้อนเพื่อการดักจับด้วยแสง^{[ 79 ]}ทีมงานยังได้บูรณาการความร้อนเข้ากับการทำความเย็นด้วยเลเซอร์เพื่อพัฒนาแหนบแสงแบบทำความเย็นเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายจากความร้อนสำหรับการดักจับและการจัดการด้วยแสงแบบไม่รุกราน^{[ 80 ]}

เมื่อกลุ่มของอนุภาคขนาดเล็กถูกดักจับไว้ภายในลำแสงเลเซอร์แบบโมโนโครมาติก การจัดเรียงตัวของอนุภาคขนาดเล็กภายในการดักจับด้วยแสงจะขึ้นอยู่กับการกระจายตัวของแรงดักจับด้วยแสงระหว่างอนุภาคขนาดเล็กเป็นอย่างมาก การกระจายตัวของแรงแสงระหว่างกลุ่มของอนุภาคขนาดเล็กนี้ทำให้เกิดสมดุลของแรงใหม่บนกลุ่มโดยรวม ดังนั้นเราจึงสามารถกล่าวได้ว่ากลุ่มของอนุภาคขนาดเล็กนั้นถูกยึดเข้าด้วยกันโดยแสงในระดับหนึ่ง หลักฐานเชิงทดลองแรกๆ ของการยึดติดด้วยแสงได้รับการรายงานโดย Michael M. Burns, Jean-Marc Fournier และ Jene A. Golovchenko ^{[ 81 ]}แม้ว่าเดิมทีจะได้รับการทำนายโดย T. Thirunamachandran ^{[ 82 ]}

เพื่อให้สามารถจัดการและถ่ายภาพตัวอย่างที่แสดงการเรืองแสง ได้พร้อมกัน สามารถสร้างแหนบแสงควบคู่ไปกับกล้องจุลทรรศน์เรืองแสงได้^{[ 83 ]}เครื่องมือดังกล่าวมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อต้องศึกษาโมเลกุลทางชีวภาพเดี่ยวหรือจำนวนน้อยที่ติดฉลากเรืองแสง หรือในการใช้งานที่ใช้การเรืองแสงเพื่อติดตามและมองเห็นวัตถุที่จะดักจับ

แนวทางนี้ได้รับการขยายเพื่อการตรวจจับและการสร้างภาพพร้อมกันของโปรตีนเชิงซ้อนแบบไดนามิกโดยใช้สายยึดที่ยาวและแข็งแรงซึ่งสร้างขึ้นโดยวิธีการทางเอนไซม์หลายขั้นตอนที่มีประสิทธิภาพสูง^{[ 84 ]}และนำไปใช้ในการตรวจสอบเครื่องจักรการแยกส่วนที่กำลังทำงาน^{[ 85 ]}

• ทัศนศาสตร์อะตอม
• การลอยตัว
• รายชื่อบทความเกี่ยวกับเลเซอร์
• การควบคุมควอนตัม
• ทัศนศาสตร์ควอนตัม

• วิดีโอ: การลอยเพชรด้วยลำแสงเลเซอร์