一種基于非線性效應(yīng)的光致旋轉(zhuǎn)新方法

光學(xué)微操控（光鑷）技術(shù)作為微納尺度下研究物體運動及其相互作用的關(guān)鍵技術(shù)，具有重要的應(yīng)用價值，因其具有非接觸、無損傷、精度高等優(yōu)點，在物理、化學(xué)、微機(jī)械、生物大分子互作等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。光對物體的操縱依賴于光與物體之間的動量傳遞，線動量的傳遞可實現(xiàn)物體的捕獲與平動，而角動量的傳遞則可導(dǎo)致物體的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)圓偏振高斯光束經(jīng)過匯聚后其自旋角動量可轉(zhuǎn)化為軌道角動量，進(jìn)而使被物體產(chǎn)生軌道旋轉(zhuǎn)。然而，在線性相互作用條件下，這種軌道旋轉(zhuǎn)的速率很低（不超過1Hz），且形成的軌道半徑通常都在微米量級。

近日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所降雨強(qiáng)研究組與新加坡國立大學(xué)仇成偉團(tuán)隊、電子科技大學(xué)楊元杰團(tuán)隊、山西大學(xué)肖連團(tuán)團(tuán)隊、中央民族大學(xué)郭紅蓮團(tuán)隊合作，提出了一種基于非線性效應(yīng)的光致旋轉(zhuǎn)新方法，使水中納米顆粒的軌道旋轉(zhuǎn)速度得到極大的提升?？蒲腥藛T使用圓偏振飛秒高斯光束捕獲金納米顆粒，通過光阱劈裂效應(yīng)形成環(huán)形勢阱，實現(xiàn)了超光學(xué)衍射極限的軌道旋轉(zhuǎn)（最小半徑可達(dá)71 nm）；利用光與納米顆粒的非線性相互作用使得高斯光束匯聚導(dǎo)致的軌道旋轉(zhuǎn)速率提高了3個數(shù)量級以上（最快轉(zhuǎn)速大于1 KHz）。

該結(jié)果比渦旋光束形成的軌道旋轉(zhuǎn)高出一個數(shù)量級（此前報道的最快光致軌道旋轉(zhuǎn)速度是87 Hz）。此外，通過激光功率、顆粒材料、物鏡數(shù)值孔徑等參數(shù)的調(diào)整還可自由控制納米顆粒軌道旋轉(zhuǎn)的半徑和轉(zhuǎn)速，而這將拓展該成果的應(yīng)用范圍。該研究直接驗證了光束聚焦過程中的自旋-軌道角動量轉(zhuǎn)化（STOC），揭示了光致旋轉(zhuǎn)的一種新機(jī)制。該研究提出的新方法將在微納流體學(xué)、微納加工以及生物操控等領(lǐng)域具有應(yīng)用價值。

實驗裝置示意圖及典型的實驗結(jié)果

6月17日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在Nature Communications上（DOI:10.1038/s41467-021-24100-0）。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、崖州灣科技專項及分子發(fā)育生物學(xué)國家重點實驗室開放課題等的支持。

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