前沿技术 | 光学操纵——从流体到固体环境

摘自：中国激光杂志社 第3019篇    

光学操纵使人们能够以远程和无接触的方式，操纵微纳世界中的微小物体。随着对该领域的深入研究，研究人员探索了许多除传统光力学外实现光操纵的可能性。这些新技术不仅丰富了光操纵的理论范式，还打破了光操纵只能实现短程、小尺度、小驱动力量级操作的“刻板印象”，尤其体现在光学操纵从流体到固体环境的拓展上：它代表光致效应可以不再被黏附阻力束缚手脚，在必须依赖固体衬底的应用场景中也大有作为。

论文信息：Qiannan Jia, Wei Lyu, Wei Yan, Weiwei Tang, Jinsheng Lu, Min Qiu. Optical manipulation: from fluid to solid domains[J]. Photonics Insights, 2023, 2(2): R05

 图1 液体和固体环境中光学操纵概览

光学操纵（Optical manipulation）是指利用光力学或其他光学特性，对物质、尤其是微观物质，进行操纵与控制的技术。由于该技术具有高精度、高可重复性和免于物理接触的特性，光学操纵被广泛地应用于生物科学、量子物理、微型机器人等领域，促进了许多跨学科研究的发展。 光学操控作为一种研究工具进入人们的视野始于“光镊”技术的诞生。

20世纪70年代末，美国物理学家Arthur Ashkin 首次提出使用激光光束向微观物体施加力的作用，他利用聚焦的激光在光场中心成功捕获了液体中的微观颗粒和生物细胞，使它们免于随机的布朗运动并被稳定地束缚在光场中心，这使得原位观察和探测流体中的微观物质成为可能。

以上这种利用激光束操控微观物质的技术与宏观世界中人们用镊子抓取和移动物体有许多相似之处。因此，这项技术被命名为“ 光镊”，Arthur Ashkin也被称为“光镊之父”。Arthur Ashkin和他在贝尔实验室的同事、华人科学家朱棣文分别在2018年和1997年由于光镊的发明和光镊在冷原子中的应用被授予诺贝尔物理学奖。

光镊，以及绝大部分由光镊衍生的光学操纵，其基本原理为利用激光在物体表面和内部的反射、折射/衍射、散射、吸收等现象来实现光动量向机械动量的传递，从而对微观物体施加力的作用。围绕着该机制，相关的科学研究主要致力于提高光镊系统的捕获极限到深亚波长乃至原子尺度，或实现更加复杂的波前整形以满足对微纳物体多模式、多功能操控的需求。

然而，由于光携带的动量很小，光作用于微观物体上产生的光力强度仅在皮牛到纳牛量级，且往往需要依靠大数值孔径的物镜进行聚焦产生极高的局域光强度(intensity)。相应地， 由于光力无法克服固体界面的粘附力和摩擦力，光学操纵的应用主要在流体环境中实现。

如前文所述，聚焦光场对微观物质的力的作用主要由反射、折射/衍射、散射、吸收过程中光与机械动量的相互作用决定。光捕获的建立一般要求实验体系包括聚焦光束或指数衰减的光学近场、均匀流体介质以及球形非双折射的目标微粒，在这样的条件下建立的光与物质相互作用能够使得粒子在远离光场中心时受到指向光场中心的回复力作用。

相应地，若要实现其他模式的光操控，如微粒的自转和公转、任意轨道的粒子横向操纵、光致推力以及利用牵引光束实现的反常光学拉力等，都可以通过调控光场参数（如偏振、波前相位）或粒子的结构与组成（如非球形粒子、不对称Janus粒子）来实现，如图2所示。

图2 在流体环境通过光-机械动量转移所引起的不同运动模式 (a) 米氏粒子在聚焦的高斯光束中发生光捕获示意图；(b)微粒在光波导倏逝场发生的光捕获；（c）带有倾斜波前的光学牵引束范例；（d）任意轨迹的粒子横向操纵

在流体环境中，以光热效应为媒介，借助流体介质的“流动”也可以实现光学操纵。具体地，当流体环境中存在温度梯度时，便会发生对流现象，而被裹挟在流体介质中的目标微粒由于受到流场的作用（或更复杂的环境中），受到因溶质的重分布而产生的衍生力场的作用（如“光-热-电力”）而发生运动。

由于这种运动会受到热场分布的影响，通过对光场或光热衬底的图案化，以及控制微粒光吸收特性的空间分布，可以产生相应图案化的或特定指向的温度梯度，从而实现不同运动模式的光学操纵，如图3所示。

图3 基于光热效应的光学操纵在流体环境中的应用 （a）基于热泳力的光捕获；（b）基于光-热-电力的粒子牵引；（c）受到光-热-电力、光力、粘滞阻力共同作用下Janus粒子的自主多模式运动和（d）稳定旋转运动

值得一提的是，在流体环境中借助光热效应的光学操纵通常无需较高的局域光强度便可实现。同时，在一些场景下，当传统的光力学操控失效时，例如当粒子相对于周围介质具有更低的折射率或负折射率，或当研究对长程、快速的物质输运提出要求时， 基于光热效应的流体操控将会对基于光力学操控技术进行完美的补充。

借助于光力学或光热作用引发的对流效应，光学操纵的成功案例主要发生在流体环境中，而在固体环境中却显得捉襟见肘。究其原因，该技术拓展至固体环境有以下两大挑战：

（1）相较于流体环境中的运动阻力——黏性阻力，在固体表面上实现驱动需要克服黏附力和摩擦力，在微纳尺度上，其强度比光力高3~6个数量级；

（2）由于目标物体与衬底直接接触，在流体力学中无滑移边界条件的限制下，固体表面上不再有显著的对流效应，导致借助流体介质的流动实现光学操纵难以实现。

作为传统连续光光力的衍生物，脉冲光力由于其远高于时间平均的峰值强度，可以被用于将附着的粒子从光透明的衬底上分离。除此之外，固体环境光操控的实现需要寻找新的物理机制。

面对这些挑战，许多研究者们都做出了尝试。2019年， 西湖大学仇旻教授带领的科研团队首次提出利用光-热-弹性波机制来实现固体界面上的光致驱动，为固体环境中的光学操纵提供了可行的解决方案和新的思路。该团队一系列的研究发现，将微米金属片转移到微纳光纤侧壁，通入脉冲激光后，金属片会呈现以下几种运动模式：绕光纤旋转、沿光纤轴向平动、由上述两种分运动合成的螺旋性运动（图4），以及金属片的面内旋转。

图4 基于金片-微纳光纤体系的弹性波驱动

这种驱动机制的实现依赖于脉冲光热作用产生的弹性波与摩擦力之间的相互作用，前者充当驱动的“内力”，后者充当驱动的“外力”，两者协同作用的结果类似于人们走路时肌肉与地面摩擦力之间的相互作用。光-热-弹性波驱动的运动方向性取决于体系的“偏置”，也就是不对称性。

具体来说，结构、光吸收、接触、弹性波的传输损耗等都能为体系引入偏置，在不同偏置的作用下，金属片会表现出不同的运动模式。在更大的空间尺度上，毫米或厘米量级的聚合物、液晶高分子或形状记忆材料等也可以利用内力驱动的方式实现光操控。由于这类材料本征具有较低的模量和较慢的响应速度，它们一般使用调制的连续激光在准静态模式下进行驱动，不涉及高频弹性波的激发。

在光吸收的衬底中，利用脉冲激光激发弹性波（声表面波）可以对附着在衬底上的粒子实现例如解吸附等简单的光学操纵，这一技术被用于半导体加工行业中的晶圆清洗，从原理上直接对应于声操控领域中的“声镍”。

另外， 以光热效应为媒介，通过引入可逆的固液相变也可以实现固体表面上的光学操纵。在“开光”或脉冲光能量注入的阶段，相变发生，固体-固体界面可以转变为固体-液体界面，接下来的光操控便可避开固体-固体粘附力的影响，利用光力或热毛细力、薄膜去润湿效应和相爆炸等液态传质效应，实现光热门控粒子操控、界面形貌自组织、激光诱导前向转移等复杂的光学操纵（图5）。在“关光”冷却/淬火之后，液相驱动的最终形态能够通过液固转变被最终保留。

图5 不同机制下的固体环境光操控 （a）光力与光热效应协同作用的光热门控粒子操控；（b）马兰戈尼效应导致的物体驱动；（c）激光诱导下图案化固体微粒的前向转移

该综述以对比光学操纵在流体和固体环境中的应用为切入点，仇旻教授团队用独特的视角总结了光操控技术的发展历程与最新进展。过去的几十年间，光学操纵技术对生物科学、量子科学以及许多跨学科领域的研究产生了重大影响。未来，光学在微纳操控方面的潜力还有待进一步挖掘。可以期待的是，在多学科交叉研究的大背景下，以光为工具实现的光学操纵在更广阔的固体环境中的应用，例如光诱导的类似于搭积木似的材料拼接与组装，以及其远程非接触、高精度特性与电子、光子芯片和功能性器件的结合，将带来令人瞩目的成果。