Structured light with more extended degrees of freedom (DoFs) and in higher dimensions is increasingly gaining traction and leading to breakthroughs such as super-resolution imaging, larger-capacity communication, and ultraprecise optical trapping or tweezers. More DoFs for manipulating an object can access more maneuvers and radically increase maneuvering precision, which is of significance in biology and related microscopic detection. However, manipulating particles beyond three-dimensional (3D) spatial manipulation by using current all-optical tweezers technology remains difficult. To overcome this limitation, we theoretically and experimentally present six-dimensional (6D) structured optical tweezers based on tailoring structured light emulating rigid-body mechanics. Our method facilitates the evaluation of the methodology of rigid-body mechanics to synthesize six independent DoFs in a structured optical trapping system, akin to six-axis rigid-body manipulation, including surge, sway, heave, roll, pitch, and yaw. In contrast to previous 3D optical tweezers, our 6D structured optical tweezers significantly improved the flexibility of the path design of complex trajectories, thereby laying the foundation for next-generation functional optical manipulation, assembly, and micromechanics.

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。

基于多坐标变换技术，依次对一维艾里光束、二维艾里光束以及艾里涡旋光束进行不同坐标系下的变换，实现了艾里光束的两个边瓣方向和嵌入的光学涡旋方向在0到2π范围内的自由调控。分析了边瓣夹角分别为钝角和锐角时的艾里光束以及边瓣垂直时的艾里涡旋光束在传播距离0、2、6、10 cm处的传播动力学特性。理论与实验研究结果表明，通过边瓣夹角的变化，可以使调控后的光束沿任意抛物线轨迹及传播方向运动。此外，当边瓣方向相反时，通过添加位移因子d，实现了嵌入的光学涡旋拓扑荷的原位测量。该方法不需要额外的光学元件，并且不受环境振动和寄生干扰的影响。本文方法将促进艾里涡旋光束在微粒捕获和光学清扫等领域的应用，并且具有普适性，可用于不同复合光场的组合与拆解，为其多维调控提供了新的解决思路。

多平面波干涉(MPWI)是产生光学涡旋晶格(OVL)的一种经典方式。通过定义波矢空间坐标系,提出了一种基于MPWI的OVL调控方法,模拟生成了四个平面波和五个平面波干涉产生的OVL,计算了其梯度力和能流分布,分析了其在微粒操纵领域中的应用。然后,通过调控其部分波矢大小和旋转波矢角度,得到了更加丰富灵活的光场分布。最终,通过分析其梯度力和能流分布,发现该调控方法可以定制适合粒子操纵的特殊光场。该研究丰富了基于MPWI的OVL的空间模式,为OVL的应用提供了新思路。

轨道角动量（OAM）的发现为光镊的研究开辟了新的道路。但具有OAM的光束在操纵微粒时，由于生物细胞不可能大小形状完全相同，所以当其进行旋转等操作时，粒子运动速度的不均匀会导致粒子之间的间距不可控。针对该问题，首先通过任意曲线塑形技术，并为传统摆线公式附加曲率调控参数提出了一种调控模式丰富的摆线光束，理论分析了该光束的OAM和梯度力，证明了解决上述问题的可能性。最后在实验中实现了粒子在运动过程中的启停，且成功操纵三个粒子进行等间距旋转，实验测得三个微粒在整个旋转过程中间距变化的误差可以维持在纳米级。这项工作为未来光捕获和操纵多种微粒在其他领域的应用铺平了道路，特别是在生物科学领域。

完美涡旋光场模式的单一性难以满足其在多种领域的应用需求。为解决该问题,提出了一种同心矢量完美涡旋模式,其光强分布为一族同心的矢量完美涡旋,各环矢量完美涡旋的性质得到了验证。研究发现,每个完美涡旋的光环大小、偏振阶数等特征参数相互独立。对同心矢量完美涡旋模式光环叠加的实验表明,与标量完美涡旋光束叠加不同,矢量叠加产生的子涡旋会在特定位置消失,原因是两光环在该位置偏振正交。该研究极大地丰富了完美涡旋的模式分布,拓宽了完美涡旋在微操纵、光通信等领域的潜在应用。