Опти́ческий пинце́т, оптический прибор для манипулирования (захвата, переноса, вращения и т. п.) микро- и наноразмерными объектами (микрочастицами, биологическими клетками, макромолекулами и др.) путём воздействия на них лазерным излучением. В основе принципа работы оптического пинцета лежит передача импульса и момента импульса от световой волны к среде. Для создания необходимой интенсивности света используют сфокусированные лазерные пучки. В 1970 г. А. Эшкин впервые описал силы, действующие на микрочастицы со стороны лазерного излучения; позднее он совместно с коллегами создал оптический пинцет (Нобелевская премия, 2018).

Силы, приводящие микроскопические частицы в движение, зависят от различных параметров – светового пучка, частицы и её окружения. Эти силы обычно разделяют на два типа: градиентные и рассеивающие. Градиентные силы возникают за счёт неоднородности распределения интенсивности светового пучка в поперечном сечении. Именно благодаря этим силам осуществляется захват частиц в световом пучке. Силы второго типа обусловлены отражением и рассеиванием света, они приводят к движению частицы вдоль направления распространения светового пучка вследствие давления света.

При описании действия светового пучка на частицу с характерным размером, во много раз превышающим длину волны света, используют приближение геометрической оптики. В этом приближении световой пучок рассматривается как бесконечный набор лучей, каждый из которых преломляется на границе прозрачного объекта. На рисунке показана схема возникновения силы $\boldsymbol{F}$, действующей на сферическую стеклянную частицу со стороны светового пучка. Здесь рассматривается распространение пары лучей 1 и 2. В результате преломления света изменяется направление распространения луча, а значит, и его импульс $\boldsymbol{p}$. Изменение импульса $\Delta\boldsymbol{p} = \boldsymbol{p} - \boldsymbol{p'}$ передаётся от света к сферической частице. Таким образом, под действием двух лучей частица приобретает импульс $-\Delta \boldsymbol{p_1} - \Delta \boldsymbol{p_2}$. Передаваемый импульс за единицу времени определяет значение силы $\boldsymbol{F}$, действующей на частицу. Из рисунка видно, что при смещении частицы как вдоль, так и поперёк оси светового пучка на частицу действует градиентная сила $\boldsymbol{F}$, которая стремится сместить её в положение фокуса $f$ линзы.

Схема воздействия сфокусированного светового пучка на сферическую стеклянную частицу, вызывающего её смещение вдоль (а) и поперёк (б) оптической оси фокусирующей линзы.Схема воздействия сфокусированного светового пучка на сферическую стеклянную частицу, вызывающего её смещение вдоль (а) и поперёк (б) оптической оси фокусирующей линзы.На рисунке показан ход лучей 1 и 2; $\boldsymbol{p_1}, \boldsymbol{p_2}$ и $\boldsymbol{p_1'}, \boldsymbol{p_2'}$ – импульсы лучей 1 и 2 до и после преломления света частицей; $\Delta\boldsymbol{p} = \boldsymbol{p} - \boldsymbol{p'}$ – изменение импульса; $f$ – положение фокуса линзы в отсутствие частицы; $\boldsymbol{F}$– сила, действующая на частицу.

При рассмотрении воздействия света на частицы, размер которых много меньше длины волны, используют т. н. дипольное приближение: электрическое поле напряжённостью $\boldsymbol{E}$ световой волны индуцирует в частице дипольный момент $\boldsymbol{p} = \alpha \boldsymbol{E}$ ($\alpha$ – поляризуемость частицы), на который действует сила Лоренца $\boldsymbol{F} = (\boldsymbol{p} \nabla ) \boldsymbol{E}$. Таким образом, градиентная сила, действующая на частицу, определяется выражением $(2 \varepsilon_0 n c)^{-1}\alpha \nabla I$, где $\varepsilon_0$ – электрическая постоянная, $n$ – показатель преломления, $I$ – интенсивность светового поля, $c$ – скорость света. Из формулы следует, что сила, действующая на частицу, направлена в область наибольшей интенсивности света.

Если распределение интенсивности в световом пучке имеет колоколообразный профиль, оптически прозрачная частица с показателем преломления, превышающим показатель преломления среды, втягивается в область наибольшей интенсивности света, локализованную в перетяжке (наиболее узкой части) лазерного пучка. Так, например, при использовании светового пучка мощностью 10 мВт с длиной волны 785 нм и нормальным распределением интенсивности, сфокусированного в область размером порядка длины волны, на стеклянную сферу диаметром 2–3 мкм действуют силы около 100 пН.

Фокусировка пучка и усиление его интенсивности, необходимые для реализации оптического пинцета, могут происходить за счёт формирования поверхностных электромагнитных полей на границе металлов и диэлектриков.

Оптический пинцет применяют в различных областях науки и технологии, таких как фундаментальная медицина, биофизика, физика и др. В частности, оптический пинцет активно используют для изучения биологических клеток, внутриклеточных органелл, клеточных мембран и белковых макромолекул. Так, например, с помощью оптического пинцета были исследованы процессы синтеза и взаимодействия макромолекул, отвечающих за хранение и передачу генетической информации (РНК и ДНК). Оптический пинцет находит широкое применение в исследовании наноразмерных частиц (квантовых точек, фуллеренов, наностержней). На принципах действия оптического пинцета основана фотонно-силовая микроскопия. Оптический захват используется в молекулярной спектроскопии высокого разрешения и для лазерного охлаждения.