光瓶光束是一种在三维空间中由高光强区域包围低光强或无光强区域的结构光场，在吸光粒子操纵中具有重要作用。然而在多粒子系统中，传统光瓶操纵在选择性、功能性上存在局限，且难以实现吸光粒子合并。近日，华南师范大学邓冬梅研究员课题组在光场调控与粒子操纵的研究中取得新进展，通过设计一系列具有不同位置、数量和开关状态的光学瓶，并利用动态全息的方法，实现了对吸光性粒子的选择性释放、运输及两部分粒子的合并。相关成果以“Dynamic holographic optical bottles for selective manipulation and merging of multiple absorbing particles”为题发表在《Photonics Research》期刊上。
在光学微操纵领域，吸光粒子因其显著的光吸收和光热特性而备受关注，其在光捕获时受到强烈的光泳力作用，倾向于远离高光强区域，因此常用一种类似于“瓶子”的结构光束来将吸光粒子捕获在“瓶”内的三维暗空间，即光瓶。然而，目前的光瓶操纵技术在多吸光粒子系统中，往往只有单一的粒子囚禁或移动功能，且通常只能对被捕获的吸光粒子进行整体的操纵，而限制了有选择性的灵活操纵。与此同时，由于光瓶是一个包裹粒子的结构，两个光瓶之间必然存在光强阻隔，因此合并两个光瓶捕获的粒子是有挑战性的。
针对上述挑战，研究团队基于光场调控理论，提出一种动态可重构的光瓶生成与操控方案。通过对类圆形艾里光束进行光学涡旋和多抛物轨迹相位调控来产生光瓶，抛物轨迹拓展到圆对称坐标系后体现为光束的聚焦，多次聚焦的光束为光瓶产生提供了条件。而通过对轨迹的调控可设计光瓶的位置和数量，并利用轴上相消、相长干涉效应可控制光瓶的开关状态。研究团队预先设计一系列的光学瓶，并利用空间光调制器的动态全息技术，可灵活切换不同光瓶光束，实现对吸光粒子的多功能动态操纵（图1）。
图1 动态全息光瓶的实验装置和选择性操纵示意图
图2展示了这种动态全息光瓶的数值模拟结果，包括了单个光瓶的开关，两个光瓶中有选择地开关一个、有选择地移动一个，以及两个光瓶合并为一个更大尺寸的光瓶。
图2 多功能光瓶的动态操作步骤演示
在具体的实验操控设计中，系统可对两个被捕获的粒子群进行独立控制：保持一个光瓶静止，同时关闭或移动另一个光瓶，从而实现对指定部分吸光粒子的选择性释放与定向运输。此外，研究团队还设计了光瓶合并操作：将最初分别捕获两部分粒子的两个独立光瓶，切换为一个尺寸更大的单一光瓶，使两部分粒子被统一捕获并能以一个整体运输，实现吸光粒子的合并。代表性实验结果如图3所示。
图3 选择性吸光粒子运输、释放，及两部分粒子合并的实验演示
该研究提出了一种基于光瓶的选择性多吸光粒子操纵方案，提升了多粒子系统中光瓶操控的灵活性与选择性，为微纳尺度下的精准操控、靶向药物递送、微尺度化学反应器等领域的应用提供了新途径。
该项工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、全国大学生创新创业训练计划、广东省大学生科技创新战略专项资金（“攀登计划”）以及华南师范大学光电科学与工程学院课外科研金种子培育项目的资助；华南师范大学本科生许振航为论文第一作者，华南师范大学邓冬梅研究员为通讯作者。
文章链接：
http://dx.doi.org/10.1364/PRJ.562232
撰稿|课题组
