施宇智 1,2,3,4,*赖成兴 1,2,3,4夷伟成 1,2,3,4黄海洋 1,2,3,4[ ... ]程鑫彬 1,2,3,4,**
作者单位
摘要
1 同济大学物理科学与工程学院,同济大学精密光学工程技术研究所,上海 200092
2 先进微结构材料教育部重点实验室,上海 200092
3 上海市数字光学前沿科学研究基地,上海 200092
4 上海市全光谱高性能光学薄膜器件及应用专业技术服务平台,上海 200092
5 香港理工大学电机与电子工程学系,香港 999077
6 新加坡国立大学电气与计算机工程系,新加坡 117583
光镊技术利用光和物质之间动量交换产生的光力对细小颗粒进行操控,具有无接触、操控尺寸小、精度高等特点,在基础物理、量子计算、生物医学等领域得到了广泛的应用。其中,横向光力(也称光横向力,OLF)是一种垂直于光的传播方向且与场强度梯度无关的特殊光力。近十年来,OLF的理论研究和实验探索成为了热点课题,在手性颗粒等超精密分选、光动量探测等方面有重要应用。从OLF的原理和产生条件、不同物理机制,以及在生物医学和物理化学等领域的应用等方面出发,对OLF的发展进行回顾和讨论,并对新的产生机制和更多的潜在应用与挑战进行展望。
横向光力 角动量 光学操控 光学自旋 手性颗粒 
光学学报
2024, 44(7): 0700001
Qiannan Jia 1,2Wei Lyu 1,2Wei Yan 1,2,*Weiwei Tang 1,2,3,*[ ... ]Min Qiu 1,2,*
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of 3D Micro/Nano Fabrication and Characterization of Zhejiang Province, School of Engineering, Westlake University, Hangzhou, China
2 Institute of Advanced Technology, Westlake Institute for Advanced Study, Hangzhou, China
3 College of Physics and Optoelectronic Engineering, Hangzhou Institute for Advanced Study, University of Chinese Academy of Sciences, Hangzhou, China
4 Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, Cambridge, United States
Light carries energy and momentum, laying the physical foundation of optical manipulation that has facilitated advances in myriad scientific disciplines, ranging from biochemistry and robotics to quantum physics. Utilizing the momentum of light, optical tweezers have exemplified elegant light–matter interactions in which mechanical and optical momenta can be interchanged, whose effects are the most pronounced on micro and nano objects in fluid suspensions. In solid domains, the same momentum transfer becomes futile in the face of dramatically increased adhesion force. Effective implementation of optical manipulation should thereupon switch to the “energy” channel by involving auxiliary physical fields, which also coincides with the irresistible trend of enriching actuation mechanisms beyond sole reliance on light-momentum-based optical force. From this perspective, this review covers the developments of optical manipulation in schemes of both momentum and energy transfer, and we have correspondingly selected representative techniques to present. Theoretical analyses are provided at the beginning of this review followed by experimental embodiments, with special emphasis on the contrast between mechanisms and the practical realization of optical manipulation in fluid and solid domains.
optical manipulation optical force adhesion force photothermal effects multiphysics 
Photonics Insights
2023, 2(2): R05
Yizhou Tan 1,2Ying Gu 1,2,*
Author Affiliations
Abstract
1 Chinese PLA General Hospital, the First Medical Center, Department of Laser Medicine, Beijing, China
2 Hainan Hospital, Chinese PLA General Hospital, Laser Medicine Center, Sanya, China
A phase-only method is proposed to transform an optical vortex field into desired spiral diffraction–interference patterns. Double-ring phase apertures are designed to produce a concentric high-order vortex beam and a zeroth-order vortex beam, and the diffracted intensity ratio of two beams is adjustable between 0 and 1. The coherent superposition of the two diffracted beams generates a brighter Airy spot (or Poisson spot) in the middle of the spiral pattern, where the singularity for typical vortex beam is located. Experiments employing circular, triangular, and rectangular phase apertures with topological charges from 3 to 16 demonstrate a stable, compact, and flexible apparatus for vortex beam conversion. By adjusting the parameters of the phase aperture, the proposed method can realize the optical Gaussian tweezer function and the optical vortex tweezer function simultaneously along the same axis or switch the experimental setup between the two functions. It also has potential applications in light communication through turbulent air by transmitting an orbital angular momentum-coded signal with a concentric beacon laser.
finite aperture diffraction phase-only beam transformation orbital angular momentum common-path interferometry optical manipulation light transmission through turbulent air 
Advanced Photonics Nexus
2023, 2(3): 036008
作者单位
摘要
河南科技大学 物理工程学院,河南 洛阳 471023
结合光束塑形技术、坐标变换技术、傅里叶相移定理,成功产生了霍曼转移结构光束,其具备相位梯度,从而拥有在微观世界中输运粒子的能力,并且大小、结构、相位梯度,均可任意调控,在应用中可依据实际需求对光束进行相应的调整。搭建光镊实验光路,并使用霍曼转移结构光束对聚苯乙烯粒子进行了操控,其实验结果与理论相符,可以使粒子完美的沿着轨道进行输运。该研究在光学微操纵特别是粒子的变轨运输领域具有重要的意义。
物理光学 光镊 光操作 全息术 空间光调制器 光学涡旋 Physical optics Optical tweezers Optical manipulation Holography Spatial light modulators Optical vortices 
光子学报
2022, 51(7): 0751411
作者单位
摘要
中国海洋大学青岛市光学光电子重点实验室,山东 青岛 266100
为了解决目前水中纳米塑料颗粒难以富集和检测的问题,基于金(Au)纳米粒子和聚苯乙烯(PS)纳米粒子的混合流体,使用自搭建的光操控-显微拉曼系统实现了PS纳米粒子的光热效应捕获和检测,并研究了混合流体中PS纳米粒子的光热效应及表面增强拉曼散射(SERS)信号增强效果。结果显示,PS纳米粒子(80 nm)的运动速度受到金纳米粒子粒径和浓度的影响,随着时间的增加光热阱中会形成直径为30 μm的Au-PS聚集体。PS纳米粒子的SERS信号强度在聚集体内比金溶胶基底提高了7倍,并且密度随着聚集体半径的扩展先增加后减小。该方法实现大量PS纳米粒子的光热效应捕获和SERS检测,显著提高PS纳米粒子的SERS信号强度并且降低了检测限。该方法在纳米器件自组装、环境污染监测等方面具有极大的应用潜力。
表面光学 光操控 光热效应 纳米塑料 金纳米粒子 表面增强拉曼散射 
光学学报
2022, 42(16): 1624001
Author Affiliations
Abstract
1 Guangxi Key Laboratory of Optoelectronic Information Processing, School of Optoelectronic Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China
2 School of Electronic Information and Electrical Engineering, Huizhou University, Huizhou 516000, China
Optical line tweezers have been an efficient tool for the manipulation of large micron particles. In this paper, we propose to create line traps with transformable configurations by using the transverse electromagnetic mode-like laser source. We designed an optical path to simulate the generation of the astigmatic beams and line traps with a series of lenses to realize the rotational transformation with respect to the rotation angle of cylindrical lenses. It is shown that the spherical particles with diameters ranging from 5 μm to 20 μm could be trapped, aligned, and revolved in experiment. The periodical trapping forces generated by transformable line traps might open an alternative way to investigate the mechanical properties of soft particles and biological cells.
optical line tweezers transformable line traps optical manipulation 
Chinese Optics Letters
2022, 20(5): 053801
刘安金 1,2,*张靖 1,2赵少宇 3
作者单位
摘要
1 中国科学院半导体研究所 集成光电子学国家重点实验室,北京 100083
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心,北京 100049
3 中国电子科技集团公司信息科学研究院,北京 100086
垂直腔是激光器、探测器、滤波器、传感器等器件的核心结构,垂直腔的光场分布对激光器、滤波器、传感器等的性能具有重要的影响。垂直腔的结构影响垂直腔的光场分布,从而影响基于垂直腔的器件设计、制作以及其性能。近年来,人们围绕垂直腔的构建及其光场调控做了大量的研究,在理论基础以及器件应用等方面取得了显著进展。首先,介绍了传统上/下分布布拉格反射镜垂直腔的色散特性,和其光场调控的方法以及它们在激光器和滤波器等领域的应用;其次,介绍了基于一维和二维高折射率差亚波长光栅基复合腔的色散特性,和它们在新型激光器和单片集成多波长滤波器阵列等领域的应用;最后,对文章进行总结并展望了垂直腔的新应用。
垂直腔 光场调控 色散 激光器 滤波器 vertical cavity optical manipulation dispersion laser filter 
红外与激光工程
2021, 50(11): 20210425
作者单位
摘要
1 泰山学院物理与电子工程学院, 山东 泰安 271021
2 南开大学现代光学研究所天津微尺度光信息科学技术重点实验室, 天津 300350
设计了一种用于产生多轴非对称结构光束的新型多轴非对称指数型锥器件,器件由非对称结构和多轴结构复合而成。利用理论计算、数值模拟和实验测量方法,验证了多轴非对称结构光束在传播过程中会产生多个焦点并且具有独特的能流特性。利用这一特性设计并开展了利用聚焦多轴非对称结构光束操控聚苯乙烯荧光微球的实验,结果表明,多轴非对称结构光束使得聚苯乙烯微球在被捕获过程中表现出“加速-减速-再加速”的运动规律,与模拟计算结果一致。多轴非对称指数型锥器件及其产生的多轴非对称结构光束在药物传输、微粒筛选等领域中有着重要的应用价值。
微纳光学 微光学元件 相位调制 激光光束整形 光学捕获 光学操纵 
中国激光
2021, 48(24): 2413001
王根旺 1,2管延超 1,2王扬 1,2丁烨 1,2,**杨立军 1,2,*
作者单位
摘要
1 哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
纳米操作技术是实现纳米材料位移、排布、形变等操作的关键方法,也是一种“自下而上”制造性能优异的纳米结构及纳米电路的重要技术手段,同时也为新型纳米器件的研发提供了新思路。本文主要对基于扫描探针显微镜、电子显微镜的纳米操作技术以及光镊技术的研究进展进行了介绍及总结,简单阐述了三种操作技术的基本原理及特点,并在此基础上分析了不同操作技术存在的问题,介绍了几种典型的操作系统和操作策略的改进方法,进一步概括了三种操作技术在纳米材料测试及器件制造中的应用。最后针对三种操作技术的优势、适用范围以及目前仍存在的问题进行分析与总结,探讨了三种操作技术的适用范围,并对不同操作技术的结合进行了展望。
激光光学 光镊或光操作 纳米操作 扫描探针显微镜 电子显微镜 纳米器件 
中国激光
2021, 48(8): 0802018
作者单位
摘要
中国海洋大学青岛市光学光电子重点实验室, 山东 青岛 266100
表面增强拉曼散射(SERS)增强基底的制备是实现SERS技术高灵敏度探测的关键因素, 利用光操控技术制备金属纳米粒子聚集体是近来SERS领域研究的热点。 利用飞秒激光湿法刻蚀技术, 在硅片表面5 mm×5 mm范围内刻蚀横截面积(宽度×深度)为10 μm×7 μm, 30 μm×12 μm, 60 μm×15 μm, 70 μm×19 μm和90 μm×21 μm的狭槽线阵, 制备截面积不同的微纳硅基衬底(SiMS)。 应用光操控技术结合SERS方法, 在金纳米溶胶中加入硅基衬底。 并将激光对焦在衬底狭槽内, 在光辐射压力的作用下, 金纳米粒子沿光束的传播方向运动, 聚集于微纳结构表面的狭槽内, 形成金纳米粒子聚集体, 促进“热点”效应, 提高SERS探测的灵敏度, 实现了在硅基微纳结构衬底上探测物的SERS增强。 实验表明, 利用光辐射压力和光梯度力的合力, 金属纳米粒子能有效聚集在硅基微纳结构衬底表面的狭槽中, 形成更多的“热点”, 从而可大幅提高SERS增强效果。 以芘为探针分子, 随着狭槽截面积的增加, SERS信号逐渐增强, 狭槽截面积为70 μm×19 μm时达到最强, 超过该截面积后, 拉曼信号强度开始降低, SERS强度最高增强了约两个数量级, 最低检测浓度为5.0×10-9 mol·L-1, 在低浓度范围内(5.0×10-9~1.0×10-7 mol·L-1), 芘位于588和1 234 cm-1处特征峰强与浓度的关系曲线呈现较好的线性相关性, 其拟合方程及线性相关系数分别为0.992和0.971。 以截面积为70 μm×19 μm的微纳衬底进行了重复性实验, 每完成一次实验, 关掉激光器, 待激光的作用消失, 狭槽内聚集的金纳米粒子重新分散在溶液中, 进行下一次实验。 选取微纳衬底8个不同位置, 每个位置重复三次实验, 衬底不同位置芘的588和1 234 cm-1两个特征峰峰强的相对标准偏差(RSD)分别为9.9%和2.0%, 具有较好的重复性。 与仅使用金纳米颗粒相比, 该方法保留了金纳米颗粒重复性好的优势, 同时具有更高的增强效应和衬底清洗后可重复使用的优点。 研究表明, 基于硅基微纳结构衬底的光操控-SERS方法, 可极大地提高金纳米颗粒的SERS效应, 在化学和生物学等领域的物质检测分析方面具有广阔的应用前景。
表面增强拉曼光谱(SERS) 硅基微纳结构衬底 光操控技术 Surface-enhanced Raman spectroscopy(SERS) Silicon-based micro-nano structured substrates(SiM Optical manipulation techniques 
光谱学与光谱分析
2020, 40(7): 2116

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