近期，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所研究人員在基于超表面的光學(xué)微操縱研究中，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)制備的偏振復(fù)用介質(zhì)超表面（metasurface），實(shí)現(xiàn)了對(duì)二氧化硅和碳酸鈣等微粒的捕獲、移動(dòng)、自旋和環(huán)繞等操縱，為基于超表面的多功能光學(xué)微操縱奠定了基礎(chǔ)。

超表面是由亞波長尺寸的超原子（meta-atom）排列而成的平面陣列，這些超原子的幾何結(jié)構(gòu)和空間排列方式可根據(jù)目標(biāo)相位分布而精確設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的振幅、相位、偏振態(tài)和角動(dòng)量等參量的靈活調(diào)控，在光學(xué)成像、光學(xué)測(cè)量、光通信、光顯示、光學(xué)微操縱等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。光學(xué)微操縱技術(shù)利用光的力學(xué)效應(yīng)，通過對(duì)入射光場(chǎng)的空間調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀粒子的捕獲、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、輸運(yùn)、分選等豐富靈活的操控，具有非機(jī)械接觸、低損傷、控制精度高、可精確測(cè)量微小位移和作用力等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域的重要研究工具。

基于超表面的光學(xué)微操縱系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于與微流控芯片集成等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于片上生化傳感、粒子動(dòng)力學(xué)分析和細(xì)胞測(cè)量分析等領(lǐng)域。已報(bào)道的利用單個(gè)超表面實(shí)現(xiàn)的光學(xué)微操縱系統(tǒng)僅能夠?qū)崿F(xiàn)單一種類光場(chǎng)的產(chǎn)生，難以完成對(duì)微粒的多功能操縱。針對(duì)該問題，研究團(tuán)隊(duì)通過將不同的相位分布加載到正交圓偏振態(tài)上，利用單個(gè)超表面實(shí)現(xiàn)了正交圓偏振光入射下聚焦高斯光束與渦旋光束的產(chǎn)生，這兩類光束還攜帶有正交的自旋角動(dòng)量，當(dāng)與微粒相互作用時(shí)，能夠?qū)⒐鈱W(xué)梯度力、軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量傳遞至微粒，實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的多種操縱。

研究成果以Experimental demonstration of optical trapping and manipulation with multifunctional metasurface為題于近期發(fā)表在Optics Letters上。研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目支持。

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圖1 基于多功能超表面的光學(xué)微操縱示意圖

圖2 多功能超表面樣品結(jié)構(gòu)及其光學(xué)微操縱微粒驗(yàn)證