1 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
3 南京大学固体微结构物理国家重点实验室，南京大学物理学院，江苏 南京 210093
4 南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心，江苏 南京 210093
5 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
光学超构表面凭借其小型化集成化的优势和对光场出色的调控能力，近年来已被深入应用于光学微操控技术研究，这标志着该交叉领域进入了新的发展阶段。特别地，由于超构表面的尺寸在亚波长级别，具有被光场驱动从而产生机械运动的潜力，这一特性为新一代光驱动的人工微机器人提供了重要的理论基础和技术支撑。本文依次从光学微操控的基本原理和超表面的相位机制出发，详细回顾了基于超构表面的多种微操控器件，包括超构表面光镊、多功能微操控系统、超构机械等，并结合微纳结构的拓扑光学性质，对拓扑光操控等新奇效应进行了探讨。最后，本文展望了超构表面微操纵技术的未来发展方向和目标。
超构表面 光学微操控 光镊 光子力学
1 表面物理与化学重点实验室，四川 绵阳 621908
2 中国工程物理研究院材料研究所，四川 绵阳 621907
光学捕获经过近几十年的发展，从光学悬浮到紧密聚焦的单光束光镊再到最近发展的多种类型的光学阱，已经可以捕获包括碳、金属氧化物、花粉、孢子、无机/有机液滴等多种不同类型的粒子，结合拉曼光谱、腔衰荡光谱或激光诱导击穿光谱可以获取悬浮微粒在原生状态下的物理和化学信息，并可以实现受控气氛环境下单粒子的化学反应研究。首先，本文根据微粒的吸光性对空气中微粒的光学捕获力的来源进行了介绍，透明微粒主要受辐射压力的作用，吸光微粒主要受光泳力的作用；然后，根据光学捕获力的不同对单光束、双光束、高斯光束和空心光束等光学捕获设计进行分类介绍；最后，综述了光学捕获与光谱技术结合起来用于单粒子研究的最新进展，并讨论了光学捕获拉曼光谱面临的挑战。
光谱学 光镊 光学捕获 单颗粒 气溶胶
光子学报
2023, 52(11): 1126001
武汉理工大学 理学院 物理系, 武汉 430070
为了捕获不同材料、不同尺寸的多微粒串列, 采用界面层腐蚀法制备了双锥角光纤探针, 搭建单光纤光镊系统捕获了酵母菌、二氧化硅和聚苯乙烯等材料的多微粒串列。结果表明, 对于相同材料的微粒, 双锥角探针所能捕获的微粒数量随其尺寸增加而减少, 而对于相同尺寸的微粒, 捕获微粒的数量随材料折射率增加而减少; 通过测量捕获微粒串列时各个微粒的捕获力, 发现串列中离探针尖端越远的微粒其所受捕获力越小, 在外力的作用下远端的微粒将率先逃逸; 理论计算显示当光纤探针的2次锥角超过60°时, 不能捕获2个或2个以上的球形微粒, 该结果和实验观测一致。此研究可应用于精细加工和微纳制造。
激光技术 光纤光镊 界面层腐蚀法 多微粒捕获 光捕获 laser technique optical fiber tweezers interfacial layer etching multiparticle trapping optical trapping
1 山西大学 光电研究所 量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西 太原 030006
2 山西大学 极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
由于TeO2声光偏转器（Acousto-optic deflector, AOD）具有超快的扫描速度、较宽的布拉格带宽以及大范围的偏转角度等优点，可以及时地改变光镊的位置，因此是获得无缺陷原子阵列的重要工具，在量子计算与模拟中具有重要的作用。但是，当声光偏转器输入含有多频率成分的信号时，会出现频率之间相互调制，导致衍射效率降低，出现不需要的衍射光且得到的衍射光强度分布不均匀等问题。基于此，对多个频率之间的相互调制过程进行了分析，通过对模型的计算分析得到了抑制频率互调的相位条件，并通过实验进行验证，再进行强度优化后得到强度分布相对均匀的光镊阵列。之后对互调过程进行仿真模拟，仿真结果显示与实验测量结果基本符合。对光镊阵列的参数测试显示，聚焦光镊的腰斑为1.5 μm，现有实验光路可获得间距3 μm的22×22的光镊阵列，满足中性原子阵列的实验需求。
红外与激光工程
2023, 52(7): 20230128
1 暨南大学纳米光子学研究院，广东省纳米光学操控重点实验室，广东 广州 511443
2 仲恺农业工程学院自动化学院，广东 广州 510225
光学操控已被广泛应用于生物医学、物理和材料科学等领域。近年来，锥形光纤光镊由于具有操作灵活、结构紧凑、易于制造等特点，在光学操控领域引起了极大关注。作为一种非侵入式光操控工具，锥形光纤光镊不会对生物组织和活体细胞产生接触式物理损伤，因而可以直接应用于细胞的多维度操控。此外，红外光波对生物组织具有良好的穿透性，这使得锥形光纤光镊在生物及医学领域有着不俗的表现。在这篇综述，笔者总结了锥形光纤光镊在单细胞、多细胞、亚细胞等层面的研究现状，并介绍了其在神经细胞调控方面的最新进展。
生物光学 光纤光学 光纤光镊 光捕获 细胞操控 神经调控 中国激光
2023, 50(15): 1507302
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与应用专业技术服务平台，上海 200092
光镊技术通过在细小物体上施加光力对物体进行操控，而伴随光力产生的光力矩同样广泛存在于光学操控中。光力矩与光力一样，具有无接触、操控尺寸小、精度高等特点，在生物医学、物理学和量子科学等领域被广泛应用。光力矩根据其与施加光场偏振旋向的关系可分为正光力矩和负光力矩。从正负光力矩产生的原理和条件、光力矩的增强、光力矩的物理和生物应用出发，对光力矩光镊操控进行回顾和讨论，最后对光力矩光镊操控潜在的挑战进行了总结，对其未来的发展方向如微型扭矩测量、光驱动生物机器人等进行了展望。
光力矩 光镊 光流控 多功能操控 生物颗粒 光学学报
2023, 43(16): 1623012
1 中国科学院上海高等研究院国家蛋白质科学研究（上海）设施，上海 201210
2 复旦大学上海医学院脑科学转化研究院，上海 200032
光镊采用聚焦的激光束束缚微米、纳米级的粒子，具有亚皮牛级的力分辨率和亚毫秒级的时间响应，在单分子生物物理中具有广泛的应用。通过化学耦链将生物大分子连接到高分子微球上，光镊可以测量大分子的伸长以及受力，进而研究DNA‐蛋白质相互作用、蛋白质折叠及分子马达机械化学性质等动态过程。简要介绍光镊的基本原理和常见的单分子光镊几何构型，并以双光镊为例，介绍如何设计和搭建光镊设备、所涉及的技术原理、稳定性与降噪处理方法以及分辨率测试方法。以国家蛋白质科学研究（上海）设施的双光镊实验装置为例，论述双光镊在单分子生物物理中的应用及进展。最后，对单分子光镊技术的发展前景作出展望。
生物光学 双光镊 单分子 蛋白质折叠 分子马达 光学力 中国激光
2023, 50(15): 1507402
