Science Advances | 广义光学超构扳手

实现任意形状光学扳手的核心在于对光学涡旋的相位与振幅进行联合调控。传统环形涡旋仅具有单一的方位角相位梯度，其强度极大值分布于固定半径的圆环上。为实现多边形轨迹，需要设计非均匀的相位分布，使光场的强度极大值沿预设封闭轮廓分布，同时确保沿轮廓的相位梯度处处均匀。后者是保证粒子沿轨迹平稳运动的关键：若相位梯度不均匀，粒子在梯度突变处将受到局部强度梯度力的主导作用，可能被束缚于该位置而无法实现连续旋转。

研究团队提出了基于等弧长采样的相位设计方法，使得相位沿轨迹的变化与弧长坐标呈线性关系，从而保证沿整个封闭轮廓的相位梯度恒定。这一设计确保了粒子在运动过程中受到均匀的相位梯度力，避免了因局部强度梯度力过强导致的运动中断。同时，为实现纵向光场演变能力，研究团队进一步引入了“冻结波”方法，可在传播轴向上构建具有特定纵向强度分布的光场。图1系统展示了这一设计框架：图1A为传统光学扳手的圆环轨迹示意图；图1B为多边形轨迹的概念示意图；图1C为集成了偏振复用与纵向演变的光学超构扳手整体架构；图1D为基于贝塞尔光束叠加的冻结波理论实现方案。

图1：广义光学超构扳手的概念及其功能示意图

为实现上述复杂光场在微结构上的产生，团队采用由各向同性/异性非晶硅纳米柱构成的超构表面，通过定制特殊的琼斯矩阵对纳米柱长度、宽度与面内旋转角度的独立设计，可实现对正交和同偏振分量相位延迟与转换效率的精确控制。图2展示了超表面的设计流程与实物表征。图2A为设计流程图：首先将各目标光场在傅里叶空间中的复振幅分布采样并映射至笛卡尔坐标系；随后将两种不同功能的纳米柱单元（分别对应不同的偏振转换模式）空间交错排列，形成完整的超表面结构。图2B展示了不同几何参数下圆偏振转换效率的分布，图2C与图2D分别给出了最终选用的两组纳米柱的转换效率与相位延迟数据。图2E为实际制备的超表面光学显微照片，图2F与图2G分别为俯视与侧视扫描电镜图像，显示纳米柱排列规整、形貌良好。

图2：超构表面设计与表征

该超表面的一个核心优势在于实现了三个独立偏振通道的同时编码。基于琼斯矩阵的幺正性原理，交叉偏振通道与同向圆偏振通道可在同一器件中共存且互不干扰。通过切换入射与出射端的偏振态，可在这三种工作模式间灵活切换，实现单个器件替代传统光学系统中多个分立元件的功能。

基于上述超构表面，研究团队开展了微粒操控实验。图3A为实验光路示意图：波长为1064 nm的连续激光经偏振调控后照射超表面，产生的广义涡旋场通过显微物镜聚焦至样品室。图3B为微粒受力示意图，样品室上下玻片间距140 μm，金颗粒（直径0.8-1.5 μm）离散分布于超纯水中。图3C与图3E分别为三角形与四边形光场的强度分布；图3D与图3F为对应操控粒子的时间序列显微图像，金颗粒沿三角形边缘做逆时针旋转，轨道速度约为26.8 μm/s；在四边形光场中，颗粒沿四边形边缘旋转，速度约为21.2 μm/s。图3G-3J对应五边形至六边形通道的结果。颗粒沿五边形与六边形边缘稳定旋转，速度分别为25.5 μm/s与21.4 μm/s。图3K-3N对应环形至七边形通道的结果，颗粒沿环形与七边形边缘旋转，速度分别为24.4 μm/s与18.2 μm/s。上述实验证实，粒子可沿多边形轨迹被光学扳手并行驱动，突破了传统光学扳手仅能实现圆环运动的局限。

图3：纵向演化超构扳手的微操控功能验证

除纵向光场演变外，研究团队进一步实现了横向平面内的光学扳手阵列。图4展示了该功能的设计与实验结果。其中图4A左侧为阵列化超表面的光学显微照片与扫描电镜图像；右侧为相位分布设计原理：通过对每个多边形涡旋叠加特定的偏折相位，可在焦平面上将多个光场分开，形成2×2阵列。

图4：多功能的超构光扳手阵列

图4B-4D为三个不同偏振通道下焦平面上的实测光场的分布，每个通道均能同时产生四个独立的光学涡旋，其几何形状分别为三角形、四边形与圆环形。图4E-4G展示了利用二氧化硅微球（直径3.3 μm）进行的并行操控实验。每个光学涡旋均捕获一串微球，形成“项链”状排列。值得注意的是，各项链的旋转方向可独立定制。四组项链同时运动且互不干扰，实现了多目标并行操控。

该研究通过引入全复振幅调控的超表面设计，突破了传统光学扳手在光场形态与操控模式上的根本限制，实现了三个层面的功能创新：

其一，基于等弧长采样方法，实现了多边形轨迹上强度与相位梯度的均匀化；

其二，结合冻结波方法与偏振复用，实现了偏振切换、沿传播方向的光场形态演变及多通道协同调控；

其三，实现了焦平面上的光学扳手阵列与多目标并行操控。

该研究将光学操控从对微结构动量属性的调控拓展至对微观物质动量的直接传递，将超构表面由被动的光波整形器提升为主动的粒子操控平台，为光学操控技术开辟了新的发展方向。