高阶光束级联微腔光镊实现细胞阵列三维操控的创新研究

本研究针对传统光镊系统在微型化与三维捕获间的矛盾，提出基于LP01/LP11/LP21模式光束级联的微腔光镊新方法。通过嵌套毛细管微腔与模场失配光纤结合，实现多列独立细胞阵列的三维稳定捕获，突破空间限制，为细胞群体传感、代谢协同研究及原子冷却实验提供新工具。

　　

论文解读
在生物医学与物理交叉领域，如何实现微小物体的精准三维操控一直是科学界的难题。传统光镊技术虽能利用高斯光束捕获高折射率细胞，但面临功率需求高、易受环境干扰、结构笨重等瓶颈。尤其在研究细胞群体行为（如群体感应、代谢协同）时，现有技术难以构建稳定的三维细胞阵列，严重制约了细胞互作机制探索。更棘手的是，当前空间光镊和特种光纤方案要么体积庞大，要么制造复杂——例如Yuan等设计的准贝塞尔光束光纤，其50μm微球结构难以适应微观操作需求。这种微型化与功能性不可兼得的矛盾，呼唤着革新性技术的诞生。

针对这一挑战，来自哈尔滨理工大学等机构的研究团队在《Optics》发表论文，提出基于高阶光束级联微腔的光镊系统。该研究通过1550nm单模光纤熔融拉锥形成8-12μm截锥形探针，结合毛细管微腔结构，首次实现LP₀₁、LP₁₁和LP₂₁模式光束的协同传播。利用不同模式光束传播常数差异产生多焦点光场，配合微腔折射效应，在流体动力学与光力平衡下形成三维多列捕获阱。关键技术包括：模场失配光纤熔接（2μm偏差激发LP₁₁，5μm偏差激发LP₂₁）、650/980nm双波长激光系统（15mW）、以及Lunding微腔构建技术。

原理与数值模拟
研究团队通过复合截锥形光纤探针与毛细管微腔结构，解决了系统微型化与三维捕获的矛盾。数值模拟显示，LP₁₁模式产生双光阱，LP₂₁模式形成四光阱，其轴向捕获效率分别达1.38和1.12，横向效率为0.52和0.48。微腔的折射效应使焦点呈多列分布，为三维阵列奠定基础。

实验设置
构建的650/980nm双激光系统配合LP₁₁/LP₂₁模式探针，在0.3cm微腔内实现酵母细胞捕获。实验证实LP₁₁模式可形成双列、LP₂₁模式形成四列稳定捕获阵列，细胞间距精确可控。

结论
该研究开创性地将高阶模式光束与微腔光学结合，实现细胞阵列的三维操控。相比传统光镊，系统体积缩小90%，捕获空间扩展3倍，且抗干扰能力显著提升。这不仅为细胞群体行为研究提供新范式，更在激光冷却、原子捕获等领域展现出跨界应用潜力。

这项由Zhaoqi Ji、Chunlei Jiang等学者完成的工作，通过中国国家自然科学基金（HZKY20220304）等项目的支持，成功打通了光镊微型化与多功能化之间的技术壁垒。正如研究者Taiji Dong在文中强调的，这种级联微腔光镊系统"为微观粒子三维操控提供了全新的方法论框架"，其意义远超单一学科范畴，或将开启微观操控技术的新纪元。