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(diǎn)實(shí)驗室姚保利團隊與國內外相關(guān)科研單位合作，在橫向光動(dòng)量和角動(dòng)量調控及微粒操縱應用方面取得系列進(jìn)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)權威綜述期刊《光學(xué)與光子學(xué)進(jìn)展》上。
姚保利團隊與合作者不但提出自旋動(dòng)量誘導光力的基本理論，建立了光與任意階多極子相互作用自旋動(dòng)量力的標準模型；而且利用光場(chǎng)調控技術(shù)產(chǎn)生特殊圓偏振光束，將其應用于非局域光學(xué)微操縱實(shí)驗，進(jìn)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。
“我們課題組采用特殊調控的圓偏振光束作為激發(fā)場(chǎng)。該結構光場(chǎng)能夠消除微粒的偶極子輻射，并極大抑制光束在聚焦過(guò)程中產(chǎn)生的軌道角動(dòng)量，獲得高純度的方位角自旋動(dòng)量（軌道/自旋比<3%）,從而降低偶極子響應和軌道動(dòng)量對光力的影響。”姚保利介紹，“最終使用金米氏微粒作為探針觀(guān)測到了高階多極子誘導自旋動(dòng)量力的非局域作用及其驅動(dòng)的微粒軌道旋轉運動(dòng)。”
光學(xué)研究領(lǐng)域的相關(guān)專(zhuān)家認為，這類(lèi)BSM誘導的光力有望引領(lǐng)下一代光學(xué)微操縱技術(shù)革新，并為研發(fā)新型光場(chǎng)探測器及懸浮光力學(xué)系統提供新思路。
高階多極子自旋動(dòng)量力的非局域作用及其驅動(dòng)的微粒旋轉軌跡。
除了橫向動(dòng)量，橫向角動(dòng)量同樣代表著(zhù)一類(lèi)奇特的光場(chǎng)動(dòng)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，構建出可攜帶橫向內稟軌道角動(dòng)量的單色渦旋光場(chǎng)，并實(shí)現了橫向渦旋驅動(dòng)的懸浮光機轉子。這一個(gè)研究成果發(fā)表于《自然-通訊》上。
“該工作采用兩列相向傳播的相干線(xiàn)偏振聚焦光束構建橫向角動(dòng)量，并通過(guò)對它們的光軸引入橫向間距打破全局角動(dòng)量平衡，產(chǎn)生沿橫向延伸的相位奇異點(diǎn)線(xiàn)即橫向軌道角動(dòng)量，從而在軸截面形成渦旋陣列。”姚保利講解，“這類(lèi)結構光繼承了聚焦駐波光場(chǎng)的三維捕獲能力，可將微粒束縛于奇點(diǎn)位置，從而在誘導微粒自轉的同時(shí)抑制軌道旋轉行為。”
據了解，他們在實(shí)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(guān)察到了顆粒的三維束縛及橫向旋轉行為。在1mbar氣壓下實(shí)現了10MHz的轉動(dòng)頻率，為目前在該真空度條件下報道的最高轉頻。
相關(guān)專(zhuān)家表示，相比于縱向轉子，橫向旋轉可最大化縮短轉子與界面的間距，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(lèi)干涉場(chǎng)天然具備多重渦旋結構，有望用于設計懸浮光機轉子陣列，為研究轉子間的相互作用、發(fā)展高精度力矩傳感技術(shù)等提供新方法。
雙波干涉場(chǎng)中的橫向渦旋。
另外，姚保利團隊基于近年來(lái)對光學(xué)自旋動(dòng)量（BSM）、虛動(dòng)量（IPM）、自旋角動(dòng)量（SAM）、軌道角動(dòng)量（OAM）、多極子光力（MOF）的理論創(chuàng )新和實(shí)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(huì )、新加坡國立大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)等國內外知名研究機構，在《光學(xué)與光子學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表的長(cháng)篇綜述論文，詳細論述了橫向光動(dòng)量和橫向光力的研究進(jìn)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)域的應用前景。
基于光場(chǎng)調控的橫向光動(dòng)量及橫向光力分類(lèi)。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
