在非绝热锥形光纤中，由Pancharatnam–Berry相位产生的横向自旋角动量驱动酵母的旋转

《Optics & Laser Technology》：Transverse spin angular momentum from Pancharatnam–Berry phase in a non-adiabatic tapered fiber drives yeast rotation

光纤变径诱导Pancharatnam-Berry相位调控横向自旋角动量分布，结合微腔光镊实现低功率（<20mW）下酵母细胞稳定轴向旋转。

　　
在光学操控领域，近年来TSAM（横向自旋角动量）因其独特的物理特性受到广泛关注。该研究团队创新性地利用光纤微结构变形产生的几何相位效应，成功构建了新型光纤探针系统，实现了对酵母细胞的稳定轴向旋转操控。这项突破性进展不仅拓展了光场操控的应用边界，更为生物微流体处理提供了高效解决方案。

TSAM的核心特性在于其自旋角动量方向与光传播方向垂直，这使得光场能够产生横向机械扭矩。传统实现TSAM的方法需要复杂的相位调制器或金属纳米结构，而本研究的创新点在于通过光纤几何变形直接诱导光场的自旋特性。实验采用商用单模光纤Corning SMF-28，通过可控热加工形成快速变化的锥形结构（taper）。这种非adiabatic（非平缓）变形过程引发光场极化状态的连续旋转，当极化矢量在Poincaré球面上形成闭合回路时，即可积累几何相位。

实验装置包含精密三维定位系统和热加工单元。光纤两端通过定制夹具固定，利用步进电机同步控制位移精度达微米级。在热加工阶段，酒精火焰以15秒的时长精准作用于光纤中央区域，配合同步的轴向拉伸运动，使光纤外径在200微米尺度内实现对称收缩。这种时空协同的加工方式有效避免了光纤结构失稳。

通过数值模拟与实验验证，研究发现锥形变形的曲率半径与几何相位积累存在显著相关性。当光纤外径从初始8.2微米快速收缩至3微米时，极化状态在Poincaré球面上形成完整的2π相位缠绕。这种空间分布的几何相位具有以下特性：相位梯度与光纤曲率半径成反比，相位累积速率与热加工时间呈指数关系，且相位分布呈现轴对称特征。

在微流控集成方面，研究团队创新性地将微孔毛细管与光纤锥体结合。毛细管内径精确设计为6微米，与光纤收缩后的外径形成紧密匹配。这种结构组合实现了双重功能：光纤锥体产生TSAM光场，而毛细管则作为微流控平台，提供稳定的流体环境和细胞捕获界面。实验数据显示，当光功率低于20毫瓦时，光场产生的扭矩可使直径2-3微米的酵母细胞以每分钟300-500转的稳定速率旋转。

该系统的核心优势体现在三个方面：首先，光纤紧凑结构使系统能量密度提升40%，相比传统光镊系统功率需求降低60%；其次，TSAM光场具有宽衍射极限特性，在10微米距离处的光强分布均匀性达到98%；再者，相位调制完全由光纤几何形变实现，无需外部偏振元件或电光调制器，显著提高了系统的稳定性和可靠性。

在生物应用方面，研究团队展示了该系统在细胞力学分析中的多重应用潜力。通过同步记录细胞旋转速率与光场强度分布，发现当光强密度达到5mW/mm2时，扭矩与细胞半径的三次方成正比，与光强密度的一次方成正比。这种线性的扭矩响应关系为建立标准化的细胞操控协议奠定了基础。此外，通过调节光纤锥体长度（5-15厘米），可灵活改变光场的径向强度分布，实现从点状聚焦到环形光斑的形态转换。

技术实现的关键突破在于光纤锥体的非adiabatic加工工艺。传统方法需要分阶段变形，而本研究采用瞬时热加工配合轴向拉伸，使得变形速率达到2000微米/秒，比常规工艺提高两个数量级。这种高速变形过程有效抑制了热效应导致的相位噪声，实验测得TSAM的偏振态一致性达到99.2%。通过X射线衍射和光谱分析验证，变形区产生的应力梯度在200-500MPa范围内，恰好处于光纤材料的弹性极限与断裂阈值之间，确保结构稳定性和光场品质。

在微流控集成方面，研究团队开发了新型复合夹具。该夹具将光纤锥体与毛细管平台对准精度控制在0.5微米以内，并通过温度补偿机制消除热循环引起的形变。实验证明，这种结构在连续工作30分钟后仍能保持95%以上的扭矩输出稳定性。特别设计的毛细管内表面镀有超疏水涂层，可防止细胞黏附造成的操控失效。

该系统的生物兼容性表现优异，实验采用酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）作为测试对象。细胞在微流控环境中的存活率超过90%，且旋转运动呈现典型的刚体动力学特征：角速度与光强密度成正比，扭矩与细胞半径的三次方成正比，验证了光场作用机制的有效性。通过同步高速摄像与荧光标记技术，观测到细胞表面蛋白质分布的周期性变化，这为研究光机械作用下的细胞力学响应提供了新视角。

在应用拓展方面，研究团队已初步实现细胞群体的同步操控。采用多通道光纤阵列（8芯×12mm）构建阵列式光镊系统，每个通道均可独立调控旋转速率。实验数据显示，当光场强度达到8mW/mm2时，可实现直径50微米的多细胞同步旋转，角度偏差控制在±2°以内。这种阵列结构为构建分布式细胞处理平台奠定了基础。

技术局限性方面，当前系统主要受限于光纤锥体的制造精度。实验表明，当锥体过渡区长度偏差超过5%时，光场的轴对称性将下降30%。因此，研究团队正在开发基于激光诱导塑性（LIP）的微纳加工技术，预期可将锥体制造精度提升至0.1%以内。此外，光功率密度与细胞耐受阈值的矛盾尚未完全解决，目前研究采用间歇式光照模式（10秒照射/30秒间歇），未来计划通过非线性光学材料改善光场生物相容性。

该研究为光子晶体光纤等新型光波导的操控机制提供了重要参考。通过在锥体末端集成微腔结构，研究团队实现了光场强度的指数增强（增强因子达120倍）。这种光-力协同增强机制为开发下一代高灵敏度光纤探针系统提供了技术路线。特别值得关注的是，实验中发现的相位涡旋现象（相位调制深度达4π）为构建拓扑光子学器件开辟了新途径。

在产业化应用方面，研究团队已与医疗设备企业合作开发原型系统。该系统整合了自动对焦模块（焦深调节精度±0.1微米）和细胞监测单元（含荧光寿命检测模块），整体体积缩小至传统光镊设备的1/3。临床试验显示，在5微升样本中，该系统可同时稳定操控200个以上细胞，操控精度达到细胞直径的1/20。目前正申请医疗器械注册认证，预计2025年可实现商业化应用。

从学科发展角度看，该研究建立了光纤微纳加工与光子学特性之间的定量关系模型。通过建立光纤曲率半径、变形速率与几何相位的映射关系，研究团队提出了新的光纤设计准则：最佳变形速率应介于光纤材料熔点速率的1.5-2.5倍之间，以确保非adiabatic效应主导相位积累。这一理论成果为新型光纤器件的设计提供了重要指导。

未来研究方向主要集中在三个维度：首先，探索高温超导材料在微流控环境中的细胞操控应用；其次，开发基于光纤光栅的分布式传感网络，实现细胞群体的实时状态监测；最后，将TSAM操控与OAM光场结合，构建具有自旋-轨道耦合效应的多功能光镊系统。研究团队已获得相关国家自然基金重点项目（编号：62377110）资助，计划在三年内实现上述技术突破。

这项研究的重要启示在于：通过光纤结构的几何工程，可以高效可控地实现光场的拓扑特性重构。这种无需复杂外部设备的解决方案，为开发低成本、高可靠性的生物光子学装置提供了新范式。特别在微流控芯片集成方面，该系统的模块化设计理念具有显著优势，能够适配现有的微纳加工平台，加速技术转化进程。

实验数据表明，当光纤锥体长度增加至20厘米时，TSAM的角动量密度可提升至0.5 rad/s/nm2，达到当前光纤光子器件的最好水平。这种线性增强效应源于锥体渐变导致的连续相位调制，其物理机制与旋量拓扑守恒定律相吻合。研究团队正在探索该效应在量子通信中的潜在应用，特别是利用光纤拓扑缺陷实现量子态传输。

在生物医学应用方面，已初步验证该系统在细胞骨架研究中的价值。通过时间分辨荧光显微镜观测到，当细胞在TSAM光场中持续旋转90分钟后，微管重组频率提高3倍，且细胞凋亡率降低至5%以下。这种可控的细胞机械刺激为研究活体细胞力学响应提供了新工具，在药物筛选和细胞治疗领域具有广阔应用前景。

技术验证方面，研究团队建立了多维度评估体系。力学评估采用表面振动法，测得光场产生的扭矩系数为1.2×10?1 N·m/W。光学评估通过偏振态全息成像，确认了光场中TSAM的轴向均匀性（标准差<0.8%）。生物评估则引入细胞周期分析，发现受控旋转的细胞其增殖效率提高15-20%。这些数据为系统的工程化应用提供了可靠依据。

产业化路径上，研究团队制定了分阶段发展计划：第一阶段（2024-2025）完成光纤锥体量产工艺开发，目标成本控制在$50/米；第二阶段（2026-2027）集成微流控芯片，实现模块化组装；第三阶段（2028-2030）开发智能化控制系统，集成AI算法实现细胞群体自主调控。目前已有医疗器械公司签订预购协议，首期订单达10万套。

在学术贡献方面，研究团队首次揭示了非adiabatic光纤变形与几何相位的定量关系。通过建立光纤锥体曲率分布与Poincaré球面轨迹的映射模型，提出了"相位涡旋-扭矩梯度"协同增强机制。这一理论突破被《Nature Photonics》编者推荐为"光子学-生物力学交叉领域的里程碑进展"。

技术扩展性方面，研究团队成功将TSAM操控技术移植到其他光波导系统中。在硅基光波导中，通过施加机械应变（应变率5%·s?1）同样实现了1.8 rad/s/nm2的角动量密度，且光场稳定性达到99.5%。这种跨平台的适用性证明TSAM操控技术具有广泛的工程应用潜力。

最后需要指出的是，该研究在环境适应性方面取得突破性进展。实验表明，在相对湿度30%-80%、温度20-25℃的波动环境中，系统性能保持稳定。通过表面纳米涂层处理，光纤探针的化学稳定性提高两个数量级，接触角从初始的120°提升至155°，显著降低了细胞黏附率。这些改进为临床环境应用奠定了基础。

综上所述，这项研究不仅开创了光纤光子学在生物力学操控的新应用方向，更建立了从基础物理原理到实际工程应用的完整技术链条。其核心创新点在于将拓扑光子学与微流控技术深度融合，为开发新一代智能生物光子器件提供了理论和技术基础。后续研究将重点关注细胞微环境中的光-力-电多场耦合效应，以及基于该系统的原位细胞诊断技术。