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图1 离焦横向平面上的微纳颗粒离轴捕获与操控
1. 导读
光学操控是一种利用光的力效应来操纵物体的技术，其最为人熟知的应用之一便是光镊。紧聚焦的高斯光束在焦点附近通常只能形成一个位于光斑中心的光学势阱，用于捕获并束缚微纳颗粒，这正是光镊的基本原理。然而，在一些基础研究和实际应用中，需要在离开光斑中心或光轴的位置实现光学捕获与操控。比如，为了让颗粒进行轨道运动，离轴捕获便是构建运动轨道时不可或缺的步骤。针对这个问题，合肥工业大学胡继刚教授课题组近日在Nanophotonics杂志上发表最新成果，展示了在紧聚焦高斯光束焦点后的光束横截面上，亚波长尺度的离轴位置处会形成额外的光学势阱。这些额外的势阱由梯度捕获力与横向散射力协同作用产生。这些势阱对低折射率和低吸收的颗粒通常不存在，但对目前受关注的金属纳米颗粒、高折射率电介质颗粒等均存在。文章通过理论分析和数值模拟，对这种离轴光学微操控的内在机制进行了系统研究，并展示了如何基于颗粒材料、颗粒尺寸和光场调控，实现对光学力场的调控与定制。基于这一亚波长尺度的离轴捕获效应，研究团队还提出并模拟验证了一种在数微米空间范围内实现颗粒分选的方案。该研究成果通过调控紧聚焦高斯光束中的梯度力和横向散射力，进而实现亚波长尺度下纳米颗粒的离轴光学捕获和操控。这不仅为先进光学操控提供了新的理论支撑，也有望进一步推动金属纳米颗粒和高折射率电介质颗粒在相关技术领域的应用与发展。2. 研究背景
光学微操控自其发明以来，依靠光来操控微纳颗粒已在生物学、原子物理和胶体科学等多个领域找到了广泛应用。在光学捕获中，物体或者颗粒通常被捕获限制在光斑的中心。然而在某些情况下，会出现离轴捕获现象，例如通过飞秒激光捕获非线性材料的颗粒时。在一些应用当中，例如为了实现颗粒的轨道运动，离轴捕获颗粒是构建颗粒运动轨道的必要步骤。尽管以往有少量工作报道过利用横向散射力进行光学操控，但集中于微米尺寸金属颗粒的操控。对横向散射力参与的纳米颗粒在亚波长尺度的光学操控尚未见报道。3. 创新研究
针对上述问题，研究人员从紧聚焦高斯光束中的横向散射力开始研究。研究人员采用Debye-Wolf积分对紧聚焦线偏振高斯光束光场进行理论建模，获得光场的空间分布，并用有限元方法对所得光场进行准确性验证。在此基础上，运用T矩阵法计算纳米颗粒在该紧聚焦光场中所受的力。研究发现，在光强度呈单峰分布的离焦平面，颗粒所受径向力与位置的关系图在离轴位置会出现零值，且该位置的势阱深度足以使颗粒在此处实现稳定捕获（见图2）。![]()
图2 紧聚焦高斯光束在离焦位置的场分布以及水溶液中颗粒的离轴光学捕获
理论分析和仿真计算结果表明，离焦平面实现离轴捕获源于横向梯度力和横向散射力间的光力平衡。基于该物理机制，可以通过改变物镜的数值孔径NA、离焦平面的位置、颗粒半径和颗粒材料等参数，调控梯度力和横向散射力的相对大小，达到对颗粒力场的裁剪定制，实现颗粒在不同位置的离轴捕获（见图3和图4）。![]()
图3 金纳米颗粒在不同离焦平面上、不同颗粒半径、不同物镜聚焦下的高斯光束中的离轴捕获位置
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图4 (a)不同折射率的介质颗粒的离轴捕获位置及(b)硅颗粒的尺寸分选
利用这种离轴捕获系统的可调性，研究人员探索了其在纳米颗粒分选方面的应用潜力。通过引入微流体，研究人员设计一种简单的、不破坏原微流管道的颗粒分选方案，并进行了数值模拟验证。结果显示，在数个微米的空间范围内即可完成对不同半径的金纳米颗粒和硅纳米颗粒的有效分选（见图4和图5）。图5 纳米颗粒的分选方案和数值模拟结果
4. 应用与展望
研究人员提出了采用紧聚焦高斯光束实现纳米颗粒的离轴捕获与光学操控，该技术能够实现亚波长尺度金属纳米颗粒与高折射率介质颗粒的离轴捕获。相关研究成果将推动光学微/纳操控技术的发展，有望在颗粒筛选、微纳制造等多个领域得到应用。此外，若将线性偏振光束替换为圆偏振光束，所产生的势阱还能用于构建颗粒的旋转轨道，在光学驱动的微机械和微机器人等方向具有潜在价值。该研究成果以“Subwavelength-scale off-axis optical
nanomanipulation within Gaussian-beam traps”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Lei-Ming Zhou, Wan Sun, Zong-Qiang Tao, Ning-Jun Xiong, Chan Huang,
Xiao-Yun Jiang, Yu-Xuan Ren, Yuanjie Yang, Yu-Zhi Shi, Ji-Gang Hu, and Qi wen
Zhan。其中Lei-Ming Zhou为第一作者， Ji-Gang Hu为通讯作者。胡继刚教授课题组隶属于合肥工业大学物理学院。
