中国科大研制出单光束“三维光学扳手”

近日，中国科大光学与光学工程系龚雷副教授课题组与新加坡国立大学仇成伟教授开展合作，研制出一种新型光学微操控工具——单光束“三维光学扳手”。这种光学扳手能够利用单个聚焦的激光光束对微粒（如细胞）施加三维可控的光力矩（Optical torque），从而实现微观粒子动态可控的三维旋转操控，极大拓展了光镊技术的操控功能。相关研究成果于2025年1月11日以“Time-varying 3D optical torque via a single beam”为题在线发表于国际学术期刊《自然·通讯》[Nature Communications 16: 593 (2025)]。

光镊，又被称为“单光束梯度力阱”，是美国科学家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）于1986年发明的一种激光工具。科学家利用它能够抓取和操纵单个分子、病毒、细胞等微观世界的物体。光镊由此成为人类研究微观世界的重要操控工具，阿什金也因此获得了2018年诺贝尔物理学奖。光镊本质上是利用光的动量传递对微粒施加光力实现三维操控的。光既具有动量也能携带角动量，在与微粒相互作用时光的角动量传递能够产生光扭矩，进而驱动微粒旋转运动。例如，携带自旋角动量的聚集激光光束不仅能够施加光力捕获微粒，还会对物体施加旋转的扭矩，就像一个扳手在扳动物体一样，因而被形象地称为一种 “光学扳手”。这种光学扳手极大地拓展了光镊的操控功能，使其不仅能平移而且能旋转微粒。然而，这种光学扳手施加旋转扭矩的方向十分局限，一般仅沿着光轴方向，主要是因为光的自旋角动量方向通常被光轴方向锁定。为突破该局限性，2022年物理学家Halina Rubinsztein-Dunlop团队通过左右旋光束的对称叠加实现了横向自旋及横向力矩[Nat. Photonics 16, 346–351 (2022)]，进而驱动微粒横轴转动（图1. 1a）。但目前光学扳手的旋转操控仍局限于一维固定轴，无法实现微粒的三维旋转操控。

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图1.单光束三维光学扳手示意图

为解决该问题，研究团队深入研究聚焦光场三维自旋角动量的定量调控方法及其光扭矩效应，理论推导聚焦光场自旋角动量与入射光场局部偏振螺旋度的定量方程，并提出了通过单个调制光束实现时变三维光扭矩的技术方案（图1. 1b）。这种调制的激光光束能够施加任意方向的旋转扭矩，进而操控微粒在不同时间沿着指定三维转轴做连续旋转运动（图1. 1c），被称为“三维光学扳手”。团队还利用该技术实现了活体细胞的三维旋转操控。该技术实现了激光对微粒的全自由度操控，将光镊对微粒的三维平移操控拓展到三维平移与转动同时操控。光镊新的操控功能有望在细胞三维层析、光学传感、微机器人等领域激发新的应用。

中国科大光学与光学工程系博士生吴一京为论文第一作者，中国科大龚雷副教授和新加坡国立大学仇成伟教授为论文的通讯作者。上述研究得到了国家自然科学基金、安徽省自然科学基金和唐仲英基金会的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55781-y