中国光学 本文由论文作者团队投稿
Optica封面图
导读
传统光学镊子通常利用标量光束的全局相位调制产生的角动量来诱导微粒的轨道运动。尽管矢量光场中的偏振态梯度前景广阔，但它在微粒操纵领域的应用潜力尚未得到充分发掘。其中，如何利用偏振态梯度实现微粒沿动态三维轨迹的稳定捕获与输运，一直是一个关键挑战。图1概括了当前标量光场与矢量光场在光学微操纵中的研究进展。
图1：当前标量光场和矢量光场在光学微操纵中的研究进展
图源：Optica
利用矢量光场驱动微粒进行三维运动面临多重挑战。不同于标量光束，矢量光束的生成通常涉及光束的分解与合成，对光束对位精度要求极高，且该过程往往伴随效率损失，严重影响微粒的有效三维捕获与输运。此外，实现微粒沿任意三维路径的精确控制，也带来了操纵维度与技术上的双重难题。因此，开发高效生成目标三维矢量光束的方法，并解决任意三维路径控制问题，成为研究的关键突破口。
近日，南京大学丁剑平教授课题组提出了一种创新的光学操纵方法。他们成功证明，微粒的三维轨道运动可以完全由矢量场的偏振态空间分布驱动，无需依赖传统的全局相位梯度。通过协同调控三维强度分布与偏振梯度，该团队实现了对微粒轨迹的多功能控制，使微粒能够稳定地沿复杂三维路径（如圆形、椭圆形、三角形）运动并被输运。这一突破为开发先进的光学操纵方案开辟了新途径，凸显了偏振工程在推动光学捕获与微操纵技术发展方面的变革性潜力。
该成果作为封面文章发表在Optica上，题为“Spin-engineered 3D optical manipulation via polarization-gradient architecturing”。该工作由南京大学物理学院完成。南京大学物理学院博士研究生袁政、高源为论文共同第一作者，通讯作者为南京大学物理学院丁剑平教授、王慧田教授。南京大学物理学院汪喜林教授、任志成教授、严文翔博士、博士研究生卿志明对本工作做出了重要贡献。
设计思路和工作原理
为了阐明矢量光场中角动量的来源及其在三维操纵中的作用机制，研究团队首先建立了系统的理论模型，将矢量场的角动量与庞加莱球上的经纬度角关联起来。
该模型清晰地揭示出矢量光场的角动量包含三项关键贡献：第一项源于众所周知的全局相位梯度（如涡旋相位）；而至关重要的第二项和第三项则都与光场偏振态的空间分布密不可分，分别对应旋向梯度和径向梯度。值得注意的是，对于由椭圆偏振光构成的矢量场，第二项源于自旋角动量与轨道角动量的相互作用，第三项则刻画了自旋角动量自身的空间变化规律。基于这一理论，构建不含全局相位、但蕴含空间变化偏振态分布的矢量光场，成为实现偏振梯度驱动三维操纵的核心任务。
图2：原理示意图
图源：Optica
该方案的核心在于对聚焦光场进行强度和偏振态的双重协同整形。首先，利用全息技术在预设的三维曲线上生成强度均匀分布的光场，并设计其全局相位拓扑电荷为零。紧接着，在焦场附近引入偏振转换器件，对聚焦场进行精确的偏振态整形，最终获得包含所需旋向偏振梯度的目标矢量场。值得一提的是，这种设计规避了传统方法需要频繁切换计算全息图的繁琐操作——仅需调节偏振转换器，即可动态调控微粒的运动速度甚至反转其运动方向，显著降低了对空间光调制器高刷新率的依赖，大大提升了操纵的灵活性和效率。
高效生成目标光场对于实现稳定、动态的微粒操纵至关重要。 为此，团队专门设计并采用了高透过率的偏振转换器（结构原理见图3），它由一个1/4波片和一个定制的液晶q板组成。这些关键光学元件的光透过率均高达95%以上，确保了偏振态整形过程的光效率损失极小，从根本上克服了传统矢量场生成方法普遍存在的低效率瓶颈。
图3：偏振转换器的原理图
图源：Optica
实验结果
在以上理论和设计基础上，研究团队进行了全面的实验验证。 首先，聚焦于偏振梯度如何影响微粒在基础三维圆轨迹上的运动行为（结果见图4）。 实验将微粒稳定捕获并悬浮在远离样品壁的水溶液深处，有效避免了近壁效应的干扰。研究发现：左旋和右旋椭圆偏振矢量场分别能驱动微粒进行顺时针及逆时针运动，且运动速度与光场的椭偏度正相关；而当光场为局域线偏振矢量场时，微粒则几乎完全停止在轨迹上，运动被有效抑制。 这一结果印证了偏振梯度作为驱动力的核心作用。
图4：不同椭偏度下对微粒运动状态的影响
图源：Optica
随后，研究扩展到更复杂的三维轨迹（结果见图5）。 被困粒子不仅能在辐射压力下顺流（下游）移动，更能逆流（上游）移动，有效抵消了辐射压力。这种行为在多种复杂轨迹结构（弯曲环形、倾斜椭圆形、波浪形三角形）中都得到了验证。一个关键发现是，尽管粒子在上游段运动较慢，但在下游段会获得加速，使得粒子完成不同复杂形状（圆形、椭圆形、三角形）的完整闭合轨迹所需时间均稳定在约2秒左右，平均速度得以保持恒定。 这深刻揭示了辐射压力与偏振梯度之间的相互作用——偏振梯度不仅重定向了部分辐射压力以提供逆流驱动力，同时也协同加速了下游运动，而局部的强度梯度则确保了微粒始终被稳定束缚在预设的三维曲线上。
图5：单轨迹复杂路径三维光操纵的实验结果
图源：Optica
最后，团队进一步探索了粒子沿复合轨迹运动的集体行为（结果见图6），观察到了反直觉的流体动力学协同效应。 与内侧曲线上粒子较少时的不稳定运动相比，外侧曲线上多个粒子的运动表现得更为平衡和稳定。引人注目的是，增加轨迹上的粒子数量（在轨迹未饱和的情况下）反而提高了粒子的集体运动速度。 这与粒子间常见的相互阻碍效应截然相反。其内在机理在于，粒子协调一致的运动引发了同步的流体流动，这种集体流动显著降低了相邻粒子所受到的流体动力阻力。 这种集体流体动力耦合效应有效放大了整体的推进效率，其原理与候鸟编队飞行（如大雁）通过协同阵型减少个体气动阻力以节省能量的策略如出一辙。
图6：复合轨迹三维光操纵的实验结果
图源：Optica
本工作开创了一种利用偏振梯度控制微粒三维轨道运动的新型光学操纵技术，为光学操纵工具箱提供了重要的补充方案。全局相位梯度诱导的角动量与偏振梯度诱导的角动量各有优势，未来可将两者结合（混合梯度架构），以实现更高效的粒子操纵。后续研究将侧重于优化混合梯度架构，并结合红外激光与暗场成像技术，实现对多种类型微粒更高效的操纵。这将进一步释放矢量场偏振工程在光学捕获与操纵技术中的变革潜力，并在靶向药物输送、微组装等应用领域探索其广阔前景。
论文信息
Zheng Yuan, Yuan Gao, Wenxiang Yan, Zhiming Qing, Zhi-Cheng Ren, Xi-Lin Wang, Jianping Ding, and Hui-Tian Wang, "Spin-engineered 3D optical manipulation via polarization-gradient architecturing," Optica 12, 853-859 (2025)
https://doi.org/10.1364/OPTICA.561034
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