光动量驱动的软光学波导微执行器：实现光子动量高效转换的新策略

《Nature Communications》：Light-momentum-driven soft optical waveguide micro-actuators

本研究针对传统光学波导材料刚性过强导致光动量力学效应难以观测的难题，开发了基于双光子聚合直写技术(TPP-DLW)的软光聚合物波导微执行器。通过构建微米级弯曲纳米线波导，首次实现了光传播过程中动量变化引发的显著形变，并建立理论模型精准预测功率依赖的形变行为。该突破为光子集成电路和微机电系统(MEMS)提供了新型光驱动微操控平台。

　　

在光学操控领域，光辐射压力通过高度聚焦的激光束实现对微观物体的捕获与操纵，形成了广为人知的光镊技术。然而当光子沿弯曲光学波导传播时，其动量变化产生的力学效应在传统刚性材料中往往可忽略不计。这一物理现象背后隐藏着怎样的潜力？来自斯洛伐克帕沃尔·约瑟夫·沙法里克大学与匈牙利塞格德生物研究中心的联合团队在《Nature Communications》发表的研究，通过巧妙的材料设计与结构创新，让柔软的光学波导在光子动量驱动下跳起了精妙的“机械芭蕾”。

技术方法概述

研究采用双光子聚合直写(TPP-DLW)技术制备OrmoComp光刻胶纳米线波导，通过光学镊子校准系统测量纳米线力学性能，结合COMSOL Multiphysics进行光场传播模拟，并建立弯曲悬臂理论模型分析波导形变机制。所有实验均在去离子水环境中进行。

研究成果

理论模型构建

研究团队建立了半圆形波导的光机械变形理论框架，发现波导变形程度取决于弯曲刚度(E×I)、初始曲率半径(R₀)和导光功率的协同作用。计算表明当弯曲刚度低于10^-19 N·m²量级时，毫瓦级光功率即可引发显著形变。

纳米线力学性能优化

通过调节TPP-DLW的激光功率(6-9 mW)和扫描速度(12 μm/s)，成功将OrmoComp纳米线的杨氏模量降至4-11 MPa，比体材料低两个数量级。拉曼光谱分析揭示这种“超软”特性源于近阈值聚合条件下聚合物交联度的显著降低。

弯曲波导光传输特性

研究发现当波导曲率半径大于20 μm时，光传输效率可达50-60%。COMSOL仿真显示小曲率半径波导存在严重的模式泄露问题，而平行于基底的II型波导结构虽耦合效率较低(4-20%)，但能保持传播过程中光强稳定。

光驱动形变实验验证

选用曲率半径30 μm、聚合功率7.4 mW制备的波导(E×I=1.1×10^-19 N·m²)，在20 mW导光功率下实现末端位移达初始直径两倍的形变(偏转角α=105°)。非线性力矩-曲率模型精准再现了实验观察到的S形变形轨迹。

结论与展望

该研究首次实现了光动量在软波导中的高效力学转换，其有效动量转换因子Q_eff超越传统光镊技术的理论极限。特别在四分之三圆弧波导中观察到的高功率回折现象，展现了分布式光力作用的独特优势。这种光驱动微执行器为单细胞操纵、可植入传感器等生物医学应用提供了新范式，通过替代复杂的光镊系统显著简化了芯片实验室设备的操作需求。未来通过开发更低杨氏模量的功能材料，有望进一步扩大波导截面尺寸，提升光传输效率与作用力范围，为软体机器人光子肌肉等创新应用开辟道路。