Es sabido de física y desde la temprana historia de la óptica, que la luz posee momento lineal y angular y que, por lo tanto, puede ejercer fuerza sobre los objetos físicos. Sin embargo, debido a su pequeña magnitud no se han considerado sus efectos prácticos hasta hace pocos años. Con el advenimiento del láser, Ashkin mostró en 1970 que se puede usar la presión de radiación de haces focalizados para afectar de modo ostensible la dinámica de partículas micro y nano-métricas. En 1986, Ashkin y Chu consiguieron atrapar partículas dieléctricas con un haz láser focalizado, dando así los primeros pasos en el campo de la nanomanipulación óptica.

 

Partiendo de las ecuaciones de Maxwell, que son las que gobiernan la luz, se puede calcular la fuerza generada sobre partículas pequeñas de un modo analítico y sencillo. A modo descriptivo, podemos pensar en un láser como si de un cañón de luz se tratase, y que dispara fotones en trayectorias rectilíneas. Estos fotones son como balas que atraviesan los objetos físicos y que al hacerlo provocan una serie de efectos que pretendemos analizar. El efecto total de estos fotones al interaccionar con un objeto es lo que se llamapresión de radiación, y se puede descomponer, para objetos dieléctricos, en dos efectos: fuerza de scattering, que es el empuje de los fotones al chocar con el objeto, y fuerza de gradiente, que es la fuerza responsable del atrapamiento. Para levitar partículas, por ejemplo, sólo hace falta fuerza de scattering; podemos pensar en un láser a la manera de géiser, apuntando en dirección opuesta a la fuerza gravitatoria y levitando a las partículas en contra de su peso por el flujo vertical de fotones.

 

 

Fuerza de gradiente en la dirección de propagación de un haz focalizado con una lente. Si queremos producir un atrapamiento en las tres direcciones del espacio, hemos de jugar con la fuerza de gradiente. Para ello, podemos hacer converger los rayos hacia un centro común usando una lente, según la figura. En estas condiciones, el foco de la lente se convierte en el máximo de intensidad. Si el gradiente es lo suficientemente "empinado", la fuerza de gradiente será lo suficientemente grande como para vencer el empuje radiativo que produce la fuerza de scattering, y la partícula quedará finalmente atrapada también en la dirección de propagación.

Para construir un aparato que atrape partículas, necesitamos un láser y un sistema de lentes capaz de producir una alta focalización o gran apertura numérica, NA, que puede obtenerse con un objetivo de microscopio. Para poder medir los desplazamientos de la partícula y la fuerza que se ejecuta sobre ella en un experimento, necesitamos recoger la luz dispersada. Para ello se suele usar otro objetivo a modo de colector.

 

La radiación en el infrarrojo es no invasiva en muestras biológicas, pero puede alterar el funcionamiento de los especímenes que se pretende investigar. Disminuir la concentración de energía en la trampa óptica es, pues, deseable. Esto se facilita con un sistema dual, en el cual dos láseres enfrentados convergen en el mismo foco. Este sistema tiene dos ventajas adicionales: garantiza la eficiencia de atrapamiento en la dirección axial, ya que la fuerza de scattering de los haces opuestos se cancela, y evita la pérdida de luz dispersada al poder emplear haces de baja NA.