西光所研究人员利用超表面实现对二氧化硅和碳酸钙等微粒的操纵

发布时间：2022-03-02 来源：西光所阅读次数：974 分享到：

近期，中国科学院西安光学精密机械研究所研究人员在基于超表面的光学微操纵研究中，利用优化设计制备的偏振复用介质超表面（metasurface），实现了对二氧化硅和碳酸钙等微粒的捕获、移动、自旋和环绕等操纵，为基于超表面的多功能光学微操纵奠定了基础。

超表面是由亚波长尺寸的超原子（meta-atom）排列而成的平面阵列，这些超原子的几何结构和空间排列方式可根据目标相位分布而精确设计，能够实现对光场的振幅、相位、偏振态和角动量等参量的灵活调控，在光学成像、光学测量、光通信、光显示、光学微操纵等领域具有重要的应用价值。光学微操纵技术利用光的力学效应，通过对入射光场的空间调制，可以实现对微观粒子的捕获、移动、旋转、输运、分选等丰富灵活的操控，具有非机械接触、低损伤、控制精度高、可精确测量微小位移和作用力等优点，已经成为物理、化学、生物等领域的重要研究工具。

基于超表面的光学微操纵系统具有结构紧凑、易于与微流控芯片集成等优点，可应用于片上生化传感、粒子动力学分析和细胞测量分析等领域。已报道的利用单个超表面实现的光学微操纵系统仅能够实现单一种类光场的产生，难以完成对微粒的多功能操纵。针对该问题，研究团队通过将不同的相位分布加载到正交圆偏振态上，利用单个超表面实现了正交圆偏振光入射下聚焦高斯光束与涡旋光束的产生，这两类光束还携带有正交的自旋角动量，当与微粒相互作用时，能够将光学梯度力、轨道角动量和自旋角动量传递至微粒，实现对微粒的多种操纵。

研究成果以Experimental demonstration of optical trapping and manipulation with multifunctional metasurface为题于近期发表在Optics Letters上。研究工作得到中科院战略性先导科技专项（B类）和国家自然科学基金项目支持。

论文链接

图1 基于多功能超表面的光学微操纵示意图

图2 多功能超表面样品结构及其光学微操纵微粒验证

西安光学精密机械研究所是国内较早从事超表面、超透镜研究的机构之一，2019年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微纳光子集成课题组利用单层超透镜（metalens）实现了左、右旋圆偏振光在三维空间的分离聚焦，打破了以往自旋相关光束聚焦的对称性，超越了传统几何光学透镜的光场聚焦能力，对光学成像研究具有重要意义。
传统几何光学透镜仅是通过玻璃厚度的变化来调节入射光相位实现聚焦，无法完成矢量光场（如偏振、自旋等）的操控。超透镜是一种二维平面透镜结构，其体积极小，重量轻，易于集成，可实现对入射光振幅、相位、偏振等参量的灵活调控，在超分辨显微成像、全息光学、消色差透镜等方面有重要应用。该研究利用构成超透镜的纳米天线动力学相位与Pancharatnam-Berry几何相位结合的方法，通过巧妙设计超透镜上纳米天线几何结构与空间取向，在单层超透镜上同时实现了左、右旋圆偏振光相位的独立操控，在横向和径向完成了不同自旋态光束的聚焦，提升了超透镜的光束操控及聚焦能力，具有结构紧凑、灵活性强等优点，能够满足光学系统及器件小型化功能多样化的要求。
该研究得到中科院战略性先导科技专项（B类)“大规模光子集成芯片”和国家自然科学基金项目的大力资助。相关成果发表在《先进光学材料》（Advanced Optical Materials）上。

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