光镊操控新突破：光束平行轨迹实现空气中微粒高速轨道运动与低耗散操控

本研究针对传统光学涡旋中光束与粒子轨迹垂直导致动量传递效率低的问题，创新性地将光束传播方向调整为与粒子轨道轨迹平行，并在空气环境中实现了微粒的高速稳定循环。研究人员利用相对倾斜的共传播光束构建光学轨道，使直径7微米的微粒以340 Hz频率沿120微米周长轨道运行，加速度达10倍重力加速度，并获得高达5300 Hz的Q-f乘积。这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究为动态光学捕获技术在精密测量、生物传感和纳米操控等领域的应用提供了新范式。

　　

在微纳尺度操控领域，光学镊子技术自问世以来革命性地推动了微观粒子的非接触式操控。传统光学涡旋虽能实现粒子束缚与旋转，但其光束传播方向主要垂直于粒子运动轨迹，导致动量传递效率受限。尤其在液体环境中，由于流体阻力较大，粒子运动速度难以提升。而在空气环境中，虽然阻力减小，但如何实现高速、稳定的轨道运动仍面临挑战。

为突破这一瓶颈，研究人员在《SCIENCE ADVANCES》发表了创新性研究成果。他们设计了一种新型光学轨道陷阱，通过使光束传播方向与粒子运动轨迹保持平行，显著增强了光与粒子间的动量传递效率。实验采用532纳米激光器作为捕获光源，光束经偏振分束器分成两束正交偏振光后，通过数值孔径0.42的物镜聚焦形成共传播光学陷阱。研究在玻璃比色皿内的空气环境中进行，使用雾化器产生5-10微米大小的硅油液滴作为介电微粒样本。

在实验设计方面，研究人员创建了一个光学轨道，使光束能够沿着与微粒轨迹几乎平行的方向推动介电微球。通过将共传播光束相对倾斜2°，并将束腰间距调整为230微米，成功实现了微粒的稳定轨道循环。实验测量显示，7微米直径的微粒能够以20,400转/分钟（340赫兹）的频率沿120微米周长的轨道循环，加速度达到98米/秒2（10倍重力加速度）。

研究结果表明，该光学陷阱的光学轨道角动量达到?=242?每光子，结合气体环境特性，实现了高循环频率和欠阻尼操作，机械品质因子Q较高。系统获得的Q-f乘积为5300赫兹，实现了低耗散与快速粒子操控的有机结合。

在功率依赖性研究中，系统在每束光0.625至1.75瓦的总输入功率范围内可靠运行。随着光学功率增加，轨迹速度相应提高，较高的激光功率下产生的较大离心力也增加了往返长度。在尺寸依赖性方面，光学陷阱能够操控直径从5.6到10微米的微粒稳定循环，且循环轨道随球体直径增大而减小，循环频率随微粒直径增加而非线性增长。

该研究的理论计算采用牛顿方程模型，全面考虑了光学力、阻力和粒子惯性之间的相互作用。光学力F_o的计算涵盖了散射力和梯度力的贡献，而阻力F_d则遵循斯托克斯定律。理论预测与实验结果高度吻合，对于2°倾斜情况，理论预测346赫兹与实验测量值仅偏差1.8%。

这项研究的创新之处在于将光束与粒子轨迹平行的光传播方式与空气环境操作独特结合，实现了346赫兹的轨道循环速率和10g的粒子加速度。与液体环境相比，该系统获得的Q-f系数提高了10⁷倍；与空气和真空环境中的其他操控方式相比，也显示出显著优势——抖动喷泉的Q-f系数为40、217和210赫兹，涡旋喷泉为1450赫兹，而本研究达到了5300赫兹。

该技术突破极大地扩展了动态光学陷阱的应用潜力，特别是在基于光学捕获的加速度计、陀螺仪等基础测量领域，以及生物传感、气溶胶研究和纳米精确定位控制等方面都具有重要应用价值。通过优化光束配置和操作参数，研究人员为高速、低耗散的微粒操控提供了新思路，为微纳操控技术的发展开辟了新方向。