在光纤端面集成螺旋光子筛的光纤扳手

《Optics & Laser Technology》：Optical fiber spanner with spiral photon sieves integrated on fiber end face

　　

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  螺旋光子筛首先被集成到光纤的端面，作为光纤扳手使用。
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  这种光纤扳手能够生成可灵活调节的环形涡旋光斑。
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  所设计的光纤扳手具有出色的偏振无关性。
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  利用该光纤扳手，可以捕获水中的聚苯乙烯微球并使其灵活旋转。

引言

光纤镊子是一种基于光学力捕捉和操控微观粒子的先进工具，在生物医学等多个跨学科领域具有重要的应用价值[1]、[2]、[3]。其核心原理是利用激光穿过光纤探针产生高度聚焦的光场，通过梯度力与散射力之间的平衡形成光学势阱，从而实现无需接触且不会对粒子造成损伤的捕捉与操控。由于光纤本身具备深厚的物理基础，且光纤探针结构在设计上具有较高的自由度，近年来光纤镊子发展迅速，已成为当前微观领域研究中不可或缺的技术手段[4]、[5]。不同的光纤探针结构往往能让镊子具备不同的粒子捕捉与操控能力。例如，袁立波团队通过热拉制方法制备出了抛物面形光纤探针，首次实现了在纯光学作用下用单根光纤对单个粒子进行三维稳定捕获[6]。李宝军团队则利用锥形光纤捕获酵母细胞，并将酵母细胞作为生物透镜，实现了对大肠杆菌链沿轴向的稳定捕获[7]。此外，王等人基于级联式光纤端微腔结构开发出了能够产生瓶状光束的光纤镊子，证明了其在水环境中对低折射率粒子具有出色的三维捕获能力[8]。谢等人则利用锥形光纤端结构产生光子纳米喷射流，通过强大的梯度力捕获聚苯乙烯微球，展示了这类光纤镊子在宽范围微粘度测量中的应用价值[9]。

基于光纤的粒子旋转操控技术，也就是所谓的光纤扳手技术，是光纤镊子的进一步发展。作为微纳操控领域的关键突破技术，它的核心应用价值在于突破了传统操控技术的尺寸限制，能够实现对微纳尺度粒子的精确旋转控制。这为生物医学、微纳制造、量子精密测量等前沿领域提供了新的研究思路，支持着单细胞力学特性分析、微纳机器人驱动以及量子比特调控等重要应用。它推动了微观操控从“捕捉与传输”向“精细操控”的跨越，具有不可替代的学术价值以及在工程应用方面的巨大潜力[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。通过引入光学扭矩，光纤扳手能够在调节粒子的自旋和公转方面实现新的自由度，从而为细胞力学特性分析、DNA扭转动力学、微流体混合以及微电机驱动等关键应用提供精准的“隐形操控力”[16]、[17]、[18]。光纤扳手的物理本质是通过非对称的光场分布产生横向光学力，或是将角动量（包括自旋角动量和轨道角动量）高效传递给目标粒子，从而促使粒子绕某一轴旋转。例如，通过在两根光纤错位结构之间的间隙创建扭曲势阱，实现了对人源平滑肌细胞的旋转操控[19]；利用模式分复用技术制备的光纤探针则实现了对酵母细胞的捕获、移动、偏转和旋转操作[20]；而基于角动量传递机制，手性空心芯光子晶体光纤中的反向传播圆偏振光束则被用于对悬浮粒子实现包括旋转、进动和章动在内的全光学控制[21]。这些进展不断推动光纤扳手从基础研究走向生物医学诊断和芯片实验室集成等应用领域。

光纤端集成的二元涡旋光束发生器也是制造光纤扳手的一种重要方法。在之前的研究中，我们通过将二元螺旋区板直接集成到光纤端面，成功制备出了结构紧凑的光纤扳手，实现了对人源红细胞的稳定旋转操控，并进一步探索了其在辅助细胞三维断层成像方面的独特应用价值[22]、[23]。研究表明，这类装置具有结构简单、制备工艺成熟以及环境稳定性优异等优点，为基于光纤的粒子旋转操控技术的实际应用奠定了坚实基础。在此基础上，本文提出并开发了一种新型光纤扳手——即在光纤端面集成螺旋光子筛结构。该装置继承了二元衍射集成的设计理念，同时引入了光子筛的孔径型光场控制机制[24]，为产生聚焦涡旋光场提供了新的设计自由度。通过系统的数值模拟和实验验证，我们深入分析了光纤扳手的涡旋聚焦特性，成功实现了对聚苯乙烯微粒的灵活且稳定的捕获与旋转操控。这项工作为开发高性能、易于集成的光纤扳手提供了新的设计思路和实验依据。

章节摘要

结构设计

本文设计的光纤扳手是通过将SPS结构集成到混合光纤的端面来实现的。SPS是一种从SZP发展而来的新型衍射光学元件[25]、[26]。传统的SZP通过螺旋分布的透明区域调制入射光，从而产生携带轨道角动量的聚焦涡旋光束。然而，连续的环状结构在高数值孔径聚焦时不可避免地会产生旁瓣噪声，这

数值模拟

本节基于经典电磁散射理论，对光纤扳手产生的光场作用于球形聚苯乙烯微珠时所产生的光学力和扭矩进行了数值研究。我们采用了T矩阵法，这是一种兼具高精度与高计算效率的散射计算方法[29]、[30]。当粒子尺寸接近光学波长时，这种方法尤为有效，因为它

结论

本文提出并开发了一种基于光纤端集成SPS结构的全新光纤扳手。通过将无芯光纤接接到单模光纤的末端以扩展模式场，再利用聚焦离子束刻蚀技术在光纤端面制备出二元幅度型SPS微结构，最终成功制备出了结构紧凑且环境稳定性优异的光纤集成涡旋光束发生器。理论和实验结果表明，与传统结构相比，

作者贡献说明

司云云：撰写——初稿、方法论、实验研究、数据整理、概念构建。龙慧红：撰写——审阅与编辑、指导、方法论、实验研究。李思颖：撰写——审阅与编辑、指导、方法论、实验研究、概念构建。杨宇川：撰写——审阅与编辑。王欣：撰写——审阅与编辑、指导。杜恒辉：撰写——审阅与编辑。于健：撰写——审阅与编辑、指导、资金获取。

资助情况

本研究得到了国家自然科学基金（62105049）、重庆市自然科学基金（cstc2021jcyj-msxmX1119）、重庆市教育委员会科技研究项目（KJQN202100618）、重庆市博士后科研基金项目（D63012022051）以及重庆邮电大学博士培养项目（E011A2022310）的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

司云云|龙慧红|李思颖|杨宇川|王欣|杜恒辉|于健