【光学前沿】广义涡旋光束能否精准操控微观粒子的光舞之旅？

    在微观研究中，激光与微粒的相互作用展现出奇妙的景象。传统光学涡旋因其轨道角动量特性在微操控领域备受关注，但其光场尺寸受限于拓扑荷数，强度分布单一环形结构，限制了全息光镊领域的操控性能。中国科学院西安光机所姚保利研究团队提出的广义完美光学涡旋（GPOV）突破了这些限制，通过光栅叠加算法实现拓扑荷数和光束形态的独立调控，为光场赋予了更强的灵活性与操控能力。
   


    广义完美涡旋光束微操控研究理论模型
    研究团队通过光栅叠加算法编码GPOV相位全息图，并基于电磁散射模型中的T矩阵方法，理论解析了紧聚焦涡旋光束作用于微粒的时间平均光学力。GPOV的计算全息图（CGH）的复振幅表示为：


   


    通过对包围聚苯乙烯微粒表面的麦克斯韦应力张量积分，计算出粒子所受的时间平均光学力。研究结果表明，随着物镜数值孔径（NA）的增大，焦场尺寸减小，捕获刚度显著提升。例如，当NA从0.7增加到1.4时，捕获刚度依次为21.52、27.34、31.64、35.73、36.21、38.54、40.11和41.68pN/μm。此外，随着拓扑荷值（l）的增大，光场相位梯度力增强，驱动微粒沿轨道传输。


    实验探究
    为验证GPOV对荧光微粒的操控能力，研究团队搭建了荧光-全息光镊系统，产生了“梨形”和“花形”完美涡旋光阱，并开展了微操纵实验。实验结果表明，粒子在“梨形”光场中顺时针非匀速旋转，这是由于光场强度在拐点位置处的不均匀性。而“花形”光场则展示了更均匀的操控效果。


    这项研究不仅拓展了光学涡旋在微操控领域的应用边界，还为微尺度传输、智能光学器件和高效能量利用打下了坚实基础。研究团队计划融入人工智能技术，优化光场轨道动量流的均匀性，探索其在纳米粒子组装和生物传感中的应用。随着研究的深入，这一技术将为光学微操控开启全新的篇章。

    姚保利研究员团队长期专注于光场调控、超分辨成像、光学微操控技术等领域的理论与实验研究。团队在《NatureCommunications》、《PNAS》、《PhysicalReviewLetters》等国际知名期刊上发表论文300余篇，授权多项国家发明专利，并承担了国家自然科学基金重大科研仪器研制项目、国家重大基础研究计划课题、国家重点研发计划课题等30余项重大科研任务，曾荣获陕西省科学技术一等奖、二等奖及重点科技创新团队等多项荣誉。

创建时间：2025-02-24 10:23
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