Science Advances | 空芯光纤双光束光镊系统研究微粒高维转动

论文导读

      光镊技术利用幅度在皮牛量级及以下的光学力实现对微纳物体的非接触式精准操控，是光学领域的新兴方向及变革性技术。德国马克斯-普朗克光科学研究所资深研究员（现北京理工大学教授）谢尚然及其团队于2021年7月9日在Science Advances期刊上刊发了利用光镊技术操控非球型双折射微粒高维转动的最新成果，标题为Tumbling and anomalous alignment of optically levitated anisotropic microparticles in chiral hollow-core photonic crystal fiber。该论文基于光镊技术，提出一种在手性空芯光纤中通过相向传播的圆偏振光束引导球霰石微粒空间中自旋、进动和章动的全光控制技术。圆偏振光使各向异性粒子绕光纤轴旋转，偶极子力受自由能最小化的调节，使正单轴粒子的非常光轴趋向于旋转电场平面。本文揭示了通过转动自由度操纵光学对准的新可能性，并有望应用于微纳电机和微型陀螺仪的空间取向控制、多原子分子的激光对准以及旋转细胞力学的研究。

研究背景

      非球型物体复杂的旋转运动是科学研究中经久不衰的话题。微粒旋转操控是光镊领域的研究前沿，当用激光照射电极化材料时，该材料会收到一种使其电偶极子平行于光场方向的力矩，从而使自由能最小化。此一般性原理是众多光学对准应用的物理基础，包括用于控制化学反应的分子排列、用于光电显示的液晶阵排列以及生物细胞旋转操纵等。在光镊系统中，正单轴介电微晶体在线偏振激光束中会经历一个光力矩。这个力矩的作用使得材料各向异性极化矢量和光场矢量之间的倾斜角为零。这个现象结合光的不同偏振态可实现对双折射粒子的诸多操作，例如用来改变双折射粒子取向或使双折射粒子自旋。

技术突破

      实验中采用平均直径为4.26μm的球霰石微颗粒（如图1），该粒子是一种双折射正单轴晶体，具有轻微的几何不对称性。首先，当波长为1064nm线偏振光束从光纤两端入射时，粒子的光轴方向会自动准直到入射光场偏振方向，然后利用半波片逐步旋转入射光场方向，同时用波长为632.8nm的He-Ne激光器监测被粒子散射的光偏振状态，可实验验证粒子在线偏振光捕获下的光学准直。当圆偏振光入射时，光波被双折射球霰石粒子（可将粒子视作微型波片）散射会改变偏振态，光场与粒子之间发生角动量交换。通过入射相向传播的圆偏振捕获光束（手性相反），其光学驱动力矩在粒子处的同向叠加，驱动粒子沿光纤轴向扭动。此外，双折射粒子还会受到一个附加的光学准直力矩将其光轴引向光场偏振面以使自由能最小化。此前，光控双折射粒子主要采取单光束光镊系统，由于光场高度聚焦，光场梯度力贡献的准直力矩幅度远高于其他力矩，抑制了粒子进动、章动等运动模式，致使粒子的进动、章动等陀螺效应并不明显。然而，本文采用空芯光纤双光束光镊系统，大幅降低了光场梯度力的力矩贡献，使得偏振引入的准直力矩贡献更加明显。

      研究还发现了双折射粒子转动过程中的光-机反作用现象。粒子转轴取向的变化改变光学驱动力矩与准直力矩，直接影响粒子的扭动频率。由于不同粒子光轴与机械轴之间的夹角随机分布，导致粒子的扭动频率存在差别。通过偏振器和光电探测器测量光的强度和偏振状态，可以监测给定粒子的扭动和章动。由于侧面散射光直接来自粒子，它提供了一种高灵敏度方法监测其扭动和章动。如图2，本文测试了72个不同直径（误差200nm）的球霰石微米粒子，发现扭动频率为100 Hz至900 Hz不等。更重要的是，本文引入了扭转型保圆空芯光纤以长距离保持入射与散射光场所携带的自旋角动量，从而抑制了散射光传输过程中所引入的测量误差；并引入多窗口频谱分析法以有效分辨不同的运动模式。实验发现粒子扭动、进动、章动模式相互关联，更快的粒子转速可获得更小的章动与进动幅度。

      通过改变俘获光功率和环境气压，导致粒子转动惯量变化，可以在很大范围内控制粒子的取向（如图3）。通过调节入射光强，可实现了粒子沿光纤轴向自由移动，这一特性有望在分布式压力测量或转子推进动力学研究领域得到应用。实验发现，测量的扭动频率与环境气压有关，环境气压影响旋转粘滞阻尼，粘滞阻尼可以阻止扭动频率的进一步增加。扭动频率随着气体压力的降低而增大。

观点评述

      本文报道了两束相向传播手性相反圆偏振光驱动下，光学悬浮各向异性微粒的反常光学准直效应。自旋引入的角动量使粒子的光轴相对于光场平面倾斜，类似于在重力影响下的陀螺进动现象。手性HC-PCF可保持捕获光圆偏振状态，进而控制粒子上的光力矩，通过散射光精确监测粒子的进动和章动。进一步，通过增加转动自由度可有效调整光学准直效果，在HC-PCF内实现对光学悬浮各向异性粒子旋转运动的完全控制，显著提升全光学准直技术。上述结果可直接应用于超弱力矩检测、局部环境粘度探测、量子摩擦、卡西米尔力以及材料在离心应力下的极限测试等。此外，它们也为精确调整悬浮微球方向提供了新策略，这对实现微纳电机和微型陀螺仪至关重要。该方法还可应用于其他物质体系，如激光诱导分子排列、纳米结构组装以及生物颗粒的旋转操作等。

• PhotoniX是中国光学工程学会新办会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编，拥有强大的国际编委和编辑团队。属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。PhotoniX主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

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