西安光機所在軸平面光學捕獲和成像方面取得重要進展

  近日,西安光機所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室姚保利研究員團隊在軸平面光學捕獲和成像方面取得重要進展,相關研究成果于2020225日以“Simultaneous optical trapping and imaging in the axial plane: a review of current progress”為題在線發表在物理類權威綜述雜志《Reports on Progress in Physics》上(2018 IF: 16.62),這標志著我所在光學微操縱基礎研究領域的工作和成果得到了國際同行的高度關注和認可。 

    自從Ashkin1986年發現光學梯度力可以捕獲微小粒子后,光學捕獲技術被廣泛應用于原子物理、膠體物理、生物醫學等微觀領域的研究。迄今為止,與此相關的工作已獲得三次諾貝爾物理獎:1997年激光原子冷卻技術、2001年玻色愛因斯坦凝聚以及2018年光鑷技術。 

  盡管光學捕獲技術取得了巨大的成功,但它的發展仍然面臨著許多科學技術問題挑戰,例如如何捕獲更小的粒子、如何增加操控范圍等。雖然在焦平面區域的光學捕獲已經取得了豐碩的成果,但在軸平面內的光學捕獲和觀測技術仍然是一個難題。其主要原因是光學捕獲和成像通常共用一個高數值孔徑的物鏡,很短的工作距離限制了軸向觀測深度。而在實際應用中,特別是涉及一些特殊光場(如貝塞爾光場和自彎曲光場等)與微粒相互作用的研究中,軸平面捕獲和觀測至關重要。這類光場具有無衍射特性,其橫向模式可以傳播幾十到上百個波長而保持不變。這種傳播不變性可以用于粒子的長距離輸運以及分選。同時,自彎曲光場彎曲軌跡和自愈性使得繞開障礙物輸運粒子成為可能。此類應用中,需要在大縱向范圍內觀察軸平面的動力學過程。因此,軸平面捕獲和觀測技術具有重要的科學意義。 

  姚保利團隊經過多年的理論和技術研究,提出了一種軸平面光學捕獲與成像技術。通過采用特殊設計的樣品池和微結構棱鏡,將軸平面內信息映射到橫向平面觀測,突破了傳統光學捕獲觀測技術中操作和觀測范圍局限于焦平面的限制。提出特殊光場的虛擬源精確描述方法和基于軸平面傅里葉變換的軸平面GS算法,可以確、快速地描述多種特殊光場,在產生特殊光場時,全息圖的計算速度比傳統方法可提高幾十倍,高效地實現了特殊光場對粒子的軸平面光學捕獲?;诖思夹g,團隊首次實現了軸平面全息光鑷,可對多目標粒子在三維空間進行任意操控,對特殊光場與粒子相互作用動力學過程進行實時觀測。實驗展示了貝塞爾光束、艾里光束、蛇形光束等特殊光場對粒子的光學輸運過程。軸平面光學捕獲和成像技術極大地提升了光學捕獲在三維空間操控粒子的能力,在研究特殊光場與粒子相互作用方面具有巨大的潛力。 

  姚保利團隊自2004年起,在光學微操縱和特殊光場與微粒相互作用方面開展了長期的理論和實驗研究工作。團隊自主研發出了具有特色的光鑷微操作儀并產業化,已向國內高校和科研單位售出了十余臺,并出口加拿大。近年來對全息光鑷技術及特殊光場捕獲微粒進行了深入的研究。理論預言了徑向偏振光束可以改善粒子的軸向捕捉效率;提出采用復源點球面波矢量勢描述徑向和角向偏振光束的新方法;理論發現緊聚焦柱矢量光場中存在橫向學自旋角動量;利用4Pi聚焦系統實現了復雜管狀拓撲結構光場。研究成果先后在PRL、OL、PRA、OE、JOSAB等國際學術刊物上發表論文30余篇,得到了國外同行專家的認可和積極的評價。 (瞬態室  供稿)

  軸平面全息光鑷系統產生蛇形光束和捕獲輸運粒子結果 

  論文鏈接:https://doi.org/10.1088/1361-6633/ab7175 

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