中國科大研制出單光束“三維光學扳手”

近日，中國科學技術(shù)大學副教授龔雷課題組與新加坡國立大學教授仇成偉開展合作，研制出一種新型光學微操控工具——單光束“三維光學扳手”。這種光學扳手能夠利用單個聚焦的激光光束對微粒（如細胞）施加三維可控的光力矩，從而實現(xiàn)微觀粒子動態(tài)可控的三維旋轉(zhuǎn)操控，極大拓展了光鑷技術(shù)的操控功能。1月11日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然-通訊》。

單光束“三維光學扳手”示意圖。中國科大供圖

光鑷，又被稱為“單光束梯度力阱”，是美國科學家阿瑟·阿什金于1986年發(fā)明的一種激光工具?？茖W家利用它能夠抓取和操縱單個分子、病毒、細胞等微觀世界的物體。光鑷由此成為人類研究微觀世界的重要操控工具，阿什金因此獲得2018年諾貝爾物理學獎。

光鑷本質(zhì)上是利用光的動量傳遞對微粒施加光力實現(xiàn)三維操控的。光既具有動量也能攜帶角動量，在與微粒相互作用時光的角動量傳遞能夠產(chǎn)生光扭矩，進而驅(qū)動微粒旋轉(zhuǎn)運動。比如，攜帶自旋角動量的聚集激光光束不僅能夠施加光力捕獲微粒，還會對物體施加旋轉(zhuǎn)的扭矩，就像一個扳手在扳動物體一樣，因而被形象地稱為一種“光學扳手”。這種光學扳手極大地拓展了光鑷的操控功能，使其不僅能平移而且能旋轉(zhuǎn)微粒。但目前光學扳手的旋轉(zhuǎn)操控仍局限于一維固定軸，無法實現(xiàn)微粒的三維旋轉(zhuǎn)操控。

為解決該問題，研究團隊深入研究聚焦光場三維自旋角動量的定量調(diào)控方法及其光扭矩效應，理論推導聚焦光場自旋角動量與入射光場局部偏振螺旋度的定量方程，并提出了通過單個調(diào)制光束實現(xiàn)時變?nèi)S光扭矩的技術(shù)方案。這種調(diào)制的激光光束能夠施加任意方向的旋轉(zhuǎn)扭矩，進而操控微粒在不同時間沿著指定三維轉(zhuǎn)軸做連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動，被稱為“三維光學扳手”。

該技術(shù)實現(xiàn)了激光對微粒的全自由度操控，將光鑷對微粒的三維平移操控拓展到三維平移與轉(zhuǎn)動同時操控。團隊還利用該技術(shù)實現(xiàn)了單個活體細胞的三維旋轉(zhuǎn)操控。

研究人員介紹，光鑷新的操控功能有望在細胞三維層析、光學傳感、微機器人等領(lǐng)域激發(fā)新的應用。