中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點實驗室姚保利團隊與國內(nèi)外相關(guān)科研單位合作，在橫向光動量和角動量調(diào)控及微粒操縱應(yīng)用方面取得系列進展。其相關(guān)研究成果近期相繼分別發(fā)表于《激光與光子學(xué)評論》《自然-通訊》和光學(xué)權(quán)威綜述期刊《光學(xué)與光子學(xué)進展》上?！ ?/p>
姚保利團隊與合作者不但提出自旋動量誘導(dǎo)光力的基本理論，建立了光與任意階多極子相互作用自旋動量力的標(biāo)準(zhǔn)模型；而且利用光場調(diào)控技術(shù)產(chǎn)生特殊圓偏振光束，將其應(yīng)用于非局域光學(xué)微操縱實驗，進而驗證了這一理論的正確性。這一成果發(fā)表于《激光與光子學(xué)評論》上?！ ?/p>
“我們課題組采用特殊調(diào)控的圓偏振光束作為激發(fā)場。該結(jié)構(gòu)光場能夠消除微粒的偶極子輻射，并極大抑制光束在聚焦過程中產(chǎn)生的軌道角動量，獲得高純度的方位角自旋動量（軌道/自旋比<3%）,從而降低偶極子響應(yīng)和軌道動量對光力的影響?！币Ρ＠榻B，“最終使用金米氏微粒作為探針觀測到了高階多極子誘導(dǎo)自旋動量力的非局域作用及其驅(qū)動的微粒軌道旋轉(zhuǎn)運動?！薄 ?/p>
光學(xué)研究領(lǐng)域的相關(guān)專家認為，這類BSM誘導(dǎo)的光力有望引領(lǐng)下一代光學(xué)微操縱技術(shù)革新，并為研發(fā)新型光場探測器及懸浮光力學(xué)系統(tǒng)提供新思路。
高階多極子自旋動量力的非局域作用及其驅(qū)動的微粒旋轉(zhuǎn)軌跡。
除了橫向動量，橫向角動量同樣代表著一類奇特的光場動力學(xué)屬性。姚保利團隊徐孝浩副研究員與英國倫敦國王學(xué)院James Millen課題組合作，構(gòu)建出可攜帶橫向內(nèi)稟軌道角動量的單色渦旋光場，并實現(xiàn)了橫向渦旋驅(qū)動的懸浮光機轉(zhuǎn)子。這一個研究成果發(fā)表于《自然-通訊》上?！ ?/p>
“該工作采用兩列相向傳播的相干線偏振聚焦光束構(gòu)建橫向角動量，并通過對它們的光軸引入橫向間距打破全局角動量平衡，產(chǎn)生沿橫向延伸的相位奇異點線即橫向軌道角動量，從而在軸截面形成渦旋陣列?！币Ρ＠v解，“這類結(jié)構(gòu)光繼承了聚焦駐波光場的三維捕獲能力，可將微粒束縛于奇點位置，從而在誘導(dǎo)微粒自轉(zhuǎn)的同時抑制軌道旋轉(zhuǎn)行為?！薄 ?/p>
據(jù)了解，他們在實驗中采用在真空中捕獲的棒狀Si納米顆粒探測橫向渦旋，并成功觀察到了顆粒的三維束縛及橫向旋轉(zhuǎn)行為。在1mbar氣壓下實現(xiàn)了10MHz的轉(zhuǎn)動頻率，為目前在該真空度條件下報道的最高轉(zhuǎn)頻。
相關(guān)專家表示，相比于縱向轉(zhuǎn)子，橫向旋轉(zhuǎn)可最大化縮短轉(zhuǎn)子與界面的間距，從而為檢驗真空摩擦、卡西米爾力等短距作用力提供了絕佳平臺；此外，由于這類干涉場天然具備多重渦旋結(jié)構(gòu)，有望用于設(shè)計懸浮光機轉(zhuǎn)子陣列，為研究轉(zhuǎn)子間的相互作用、發(fā)展高精度力矩傳感技術(shù)等提供新方法。
雙波干涉場中的橫向渦旋。
另外，姚保利團隊基于近年來對光學(xué)自旋動量（BSM）、虛動量（IPM）、自旋角動量（SAM）、軌道角動量（OAM）、多極子光力（MOF）的理論創(chuàng)新和實驗研究積累，聯(lián)合同濟大學(xué)、清華大學(xué)、西班牙國家研究委員會、新加坡國立大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)等國內(nèi)外知名研究機構(gòu)，在《光學(xué)與光子學(xué)進展》上發(fā)表的長篇綜述論文，詳細論述了橫向光動量和橫向光力的研究進展，展望了其在量子物理、自旋電子學(xué)、生物物理，光學(xué)微操縱及材料科學(xué)等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
基于光場調(diào)控的橫向光動量及橫向光力分類。文中圖片均由論文作者提供
相關(guān)論文信息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/lpor.202300245
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38261-7
https://opg.optica.org/aop/abstract.cfm?uri=aop-15-3-835
