纵向光力和横向光力的偏振协同调控

研究团队提出在空气-水界面环境下，仅利用一束线偏振光，即可以协同利用纵向光力和横向光力，即纵向-横向复合光力。通过切换入射线偏振光偏振方向，实现复合光力沿2π空间任意指向，如图1所示。纵向光力和横向光力振幅相当且可调谐。

图1 纵向-横向复合光力偏振协同调控机制

当微粒悬浮在空气-水界面上时，入射光由空气穿透微粒进入水中，会对微粒产生反冲力学效应。根据闵可夫斯基动量形式，光子在介质中的动量是真空中的n倍，其中n为介质的折射率。因此，只要满足光子从低折射率介质传输进高折射率介质，就有可能实现前向光动量放大。对于p偏振光和s偏振光，虽然远场分布横向对称性保持不变，但前后分布确实存在差异。具体而言，s偏振光的散射远场前向分布相比p偏振光更明显，前向散射更强意味着更多的光会进入水中，散射光动量放大更强。因此，s偏振光可以实现光学牵引力。对于p偏振光，则为光学推力。

线偏振光产生的光学横向力正是由于光子自旋霍尔效应中交叉偏振的矢量特性引起。入射光被微粒散射时，p偏振光（电场位于面内，表示为E_H）入射将诱导激发s偏振极化分量（电场指向面外，表示为E_V）。值得注意的是，交叉极化的电场分布关于x轴反对称，而本征极化的电场分布是对称的，如图2(c)所示。图2(d)表示s偏振光入射时，诱导激发的p偏振分量也具有矢量特性。因此，由于交叉偏振的矢量特性，对于由p偏振光和s偏振光合成的45°偏振光，系统的横向对称性被破坏，微粒因此会获得更大的光学横向力。任意线偏振光都可以通过s偏振光和p偏振光合成，因此伴随横向对称性破缺，光学横向力也会同时变化。光学横向力的出现也可以通过远场散射场来有效地验证，如图2(b)所示。在45°偏振光的情况下，远场能量主要散射到 −y 方向。为了进行比较，在其他参数不变时，将入射光变成圆偏振光，对应于利用自旋-轨道耦合效应实现的自旋相关光学横向力。显然，45°线偏振光入射时比圆偏振光入射时的左右对称性破缺严重得多，这有效解释了线偏振光诱导产生的光学横向力比圆偏振光诱导产生的光学横向力几乎增强一个数量级。

图2 纵向-横向复合光力物理起源

为了验证上述偏振协同调控纵向光力和横向光力的概念，利用一束线偏振平面波照射空气-水界面漂浮的聚苯乙烯微粒进行了实验研究。通过调整半波片的方向，微粒的平移方向可以在二维平面覆盖任意2π方向。例如，在p偏振光照射下，由于光学推力的作用，微粒沿 +x（右）方向移动。将入射光变为45°对角偏振后，微粒受到光学横向力的作用而向 +y轴方向运动。进一步，通过将横向力和纵向力结合起来，光力可以指向任意方向。例如当入射光为30°线偏振时，微粒的运动方向在第一象限内，而如果70°线偏振，微粒的运动方向是在第二象限内，而在110°和160°线偏振光的作用下，微粒分别沿第三和第四象限运动。因此利用线偏振光将纵向光力和横向光力结合起来，为实现多自由度光学操控提供了新的思路。

图3 纵向-横向复合光力的实验验证

这项工作提出了一种协同纵向光力和横向光力来形成复合光力的策略。仅通过调整线偏振平面波的偏振方向，纵向-横向复合光力就能够覆盖任意2π方向。其背后的物理机理可追溯到界面上p偏振光和s偏振光之间的协作，这导致了光动量沿纵向的重新分配和横向的非对称散射。利用悬浮在界面的球形微粒，实验中也成功地演示了偏振调控复合光力。这项研究不仅拓展了光学操控的自由度，还有助于加深对光与物质相互作用的理解。

论文的第一作者为哈尔滨工业大学物理学院李航博士，论文共同第一作者为大连理工大学朱彤彤博士，论文通讯作者为哈尔滨工业大学丁卫强教授，共同通讯作者为新加坡国立大学仇成伟教授和哈尔滨工业大学曹永印副教授。上述研究工作得到了国家自然科学基金和黑龙江省杰出青年基金资助。

论文信息：

H. Li, T. Zhu, Y. Cao, Q. Jia, B. Shi, Y. Zhang, D. Tang, X. Li, R. Feng, F. Sun, C.-W. Qiu, W. Ding, Optical Longitudinal-Lateral Force Directed in Arbitrary Directions by a Linearly Polarized Beam. Laser Photonics Rev 2024, 2400330. https://doi.org/10.1002/lpor.202400330

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.202400330