作为捕获与操纵微观粒子的重要手段,光镊技术因其具有非接触和高精度操控等优势在物理、化学和生物医学等领域得到了广泛的研究及应用。飞秒激光超高的峰值功率能够有效激发被捕获物体的非线性光学响应,同时超短的脉冲输出可以在光与物质相互作用的过程中产生更小的热效应,从而在光学微操控中展现出特有的优势。本文综述了飞秒激光光镊的研究进展,详细讨论了其中涉及的非线性效应和应用,并对其发展前景进行了展望。

结合光纤激光器、光纤放大器和非线性光学高效频率转换技术及准位相匹配材料, 服务于原子物理领域铯原子单光子跃迁里德堡激发的实际需求, 研究并掌握了产生3186 nm波长连续单频紫外激光的关键技术。采用1 5605 nm与1 0769 nm连续激光先通过单次穿过PPLN非线性晶体和频, 再经腔增强谐振倍频过程高效地产生了输出功率大于2 W的3186 nm紫外激光, 半小时内, 光功率的方均根起伏优于087%。采用电子学边带锁频方案, 实现了整个紫外激光系统在保持相对于高精细度超稳腔锁定条件下较大范围连续调谐, 其连续调谐范围大于4 GHz, 残余频率起伏约16 kHz。采用本文研制的高功率窄线宽可调谐3186 nm紫外激光系统, 在铯热原子气室中实现了6S1/2 →nP3/2(n=70~100)的单光子跃迁里德堡激发, 并对相关现象作了相关的理论分析与研究。采用纯光学探测方案观察到了3186 nm紫外激光对磁光阱中铯冷原子系综的单光子跃迁里德堡激发。

长期以来,远场光学荧光显微镜凭借其非接触、无损伤、可探测样品内部等优点,一直是生命科学中最常用的观测工具。但由于衍射极限的存在,使传统的宽场光学显微镜横向和纵向的分辨率分别仅约为230 nm和1000 nm。为了揭示细胞内分子尺度的动态和结构特征,提高光学显微镜分辨率成为生命科学发展的迫切要求,在远场荧光显微镜的基础上,科学家们已经发展出许多实用的提高分辨率甚至超越分辨率极限的成像技术。例如,采用横向结构光照明提高横向分辨率到约100 nm,利用纵向驻波干涉效应将纵向分辨率提高5～10倍。然而,直到在光学荧光显微镜中引入非线性效应后,衍射极限才被真正突破,如受激荧光损耗显微镜利用非线性效应实现了30～50 nm的三维分辨率。另外应用荧光分子之间能量转移共振原理以及单荧光分子定位技术也可以突破衍射极限,甚至可以将分子定位精度提高到几个纳米的量级。