近日，西安光機所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點實驗室姚保利研究員團隊在軸平面光學(xué)捕獲和成像方面取得重要進展，相關(guān)研究成果于2020年2月25日以“Simultaneous optical trapping and imaging in the axial plane: a review of current progress”為題在線發(fā)表在物理類權(quán)威綜述雜志《Reports on Progress in Physics》上（2018 IF: 16.62），這標志著我所在光學(xué)微操縱基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的工作和成果得到了國際同行的高度關(guān)注和認可。 

  自從Ashkin在1986年發(fā)現(xiàn)光學(xué)梯度力可以捕獲微小粒子后，光學(xué)捕獲技術(shù)被廣泛應(yīng)用于原子物理、膠體物理、生物醫(yī)學(xué)等微觀領(lǐng)域的研究。迄今為止，與此相關(guān)的工作已獲得三次諾貝爾物理獎：1997年激光原子冷卻技術(shù)、2001年玻色愛因斯坦凝聚以及2018年光鑷技術(shù)。 

  盡管光學(xué)捕獲技術(shù)取得了巨大的成功，但它的發(fā)展仍然面臨著許多科學(xué)技術(shù)問題挑戰(zhàn)，例如如何捕獲更小的粒子、如何增加操控范圍等。雖然在焦平面區(qū)域的光學(xué)捕獲已經(jīng)取得了豐碩的成果，但在軸平面內(nèi)的光學(xué)捕獲和觀測技術(shù)仍然是一個難題。其主要原因是光學(xué)捕獲和成像通常共用一個高數(shù)值孔徑的物鏡，很短的工作距離限制了軸向觀測深度。而在實際應(yīng)用中，特別是涉及一些特殊光場（如貝塞爾光場和自彎曲光場等）與微粒相互作用的研究中，軸平面捕獲和觀測至關(guān)重要。這類光場具有無衍射特性，其橫向模式可以傳播幾十到上百個波長而保持不變。這種傳播不變性可以用于粒子的長距離輸運以及分選。同時，自彎曲光場彎曲軌跡和自愈性使得繞開障礙物輸運粒子成為可能。此類應(yīng)用中，需要在大縱向范圍內(nèi)觀察軸平面的動力學(xué)過程。因此，軸平面捕獲和觀測技術(shù)具有重要的科學(xué)意義。 

  姚保利團隊經(jīng)過多年的理論和技術(shù)研究，提出了一種軸平面光學(xué)捕獲與成像技術(shù)。通過采用特殊設(shè)計的樣品池和微結(jié)構(gòu)棱鏡，將軸平面內(nèi)信息映射到橫向平面觀測，突破了傳統(tǒng)光學(xué)捕獲觀測技術(shù)中操作和觀測范圍局限于焦平面的限制。提出特殊光場的虛擬源精確描述方法和基于軸平面傅里葉變換的軸平面GS算法，可以準確、快速地描述多種特殊光場，在產(chǎn)生特殊光場時，全息圖的計算速度比傳統(tǒng)方法可提高幾十倍，高效地實現(xiàn)了特殊光場對粒子的軸平面光學(xué)捕獲?；诖思夹g(shù)，團隊首次實現(xiàn)了軸平面全息光鑷，可對多目標粒子在三維空間進行任意操控，對特殊光場與粒子相互作用動力學(xué)過程進行實時觀測。實驗展示了貝塞爾光束、艾里光束、蛇形光束等特殊光場對粒子的光學(xué)輸運過程。軸平面光學(xué)捕獲和成像技術(shù)極大地提升了光學(xué)捕獲在三維空間操控粒子的能力，在研究特殊光場與粒子相互作用方面具有巨大的潛力。 

  姚保利團隊自2004年起，在光學(xué)微操縱和特殊光場與微粒相互作用方面開展了長期的理論和實驗研究工作。團隊自主研發(fā)出了具有特色的光鑷微操作儀并產(chǎn)業(yè)化，已向國內(nèi)高校和科研單位售出了十余臺，并出口加拿大。近年來對全息光鑷技術(shù)及特殊光場捕獲微粒進行了深入的研究。理論預(yù)言了徑向偏振光束可以改善粒子的軸向捕捉效率；提出采用復(fù)源點球面波矢量勢描述徑向和角向偏振光束的新方法；理論發(fā)現(xiàn)緊聚焦柱矢量光場中存在橫向?qū)W自旋角動量；利用4Pi聚焦系統(tǒng)實現(xiàn)了復(fù)雜管狀拓撲結(jié)構(gòu)光場。研究成果先后在PRL、OL、PRA、OE、JOSAB等國際學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文30余篇，得到了國外同行專家的認可和積極的評價。 （瞬態(tài)室 供稿）

軸平面全息光鑷系統(tǒng)產(chǎn)生蛇形光束和捕獲輸運粒子結(jié)果 

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