【儀表網 研發快訊】近日，中國科學技術大學光學與光學工程系龔雷副教授課題組與新加坡國立大學仇成偉教授開展合作，研制出一種新型光學微操控工具——單光束“三維光學扳手”。這種光學扳手能夠利用單個聚焦的激光光束對微粒(如細胞)施加三維可控的光力矩(Optical torque)，從而實現微觀粒子動態可控的三維旋轉操控，極大拓展了光鑷技術的操控功能。相關研究成果于2025年1月11日以“Time-varying 3D optical torque via a single beam”為題在線發表于國際學術期刊《自然·通訊》[Nature Communications 16: 593 (2025)]。
 

圖1. 單光束三維光學扳手示意圖
 

　　光鑷，又被稱為“單光束梯度力阱”，是美國科學家阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)于1986年發明的一種激光工具。科學家利用它能夠抓取和操縱單個分子、病毒、細胞等微觀世界的物體。光鑷由此成為人類研究微觀世界的重要操控工具，阿什金也因此獲得了2018年諾貝爾物理學獎。光鑷本質上是利用光的動量傳遞對微粒施加光力實現三維操控的。光既具有動量也能攜帶角動量，在與微粒相互作用時光的角動量傳遞能夠產生光扭矩，進而驅動微粒旋轉運動。例如，攜帶自旋角動量的聚集激光光束不僅能夠施加光力捕獲微粒，還會對物體施加旋轉的扭矩，就像一個扳手在扳動物體一樣，因而被形象地稱為一種 “光學扳手”。這種光學扳手極大地拓展了光鑷的操控功能，使其不僅能平移而且能旋轉微粒。然而，這種光學扳手施加旋轉扭矩的方向十分局限，一般僅沿著光軸方向，主要是因為光的自旋角動量方向通常被光軸方向鎖定。為突破該局限性，2022年物理學家Halina Rubinsztein-Dunlop團隊通過左右旋光束的對稱疊加實現了橫向自旋及橫向力矩[Nat. Photonics 16, 346–351 (2022)]，進而驅動微粒橫軸轉動(Fig. 1a)。但目前光學扳手的旋轉操控仍局限于一維固定軸，無法實現微粒的三維旋轉操控。
 

　　為解決該問題，研究團隊深入研究聚焦光場三維自旋角動量的定量調控方法及其光扭矩效應，理論推導聚焦光場自旋角動量與入射光場局部偏振螺旋度的定量方程，并提出了通過單個調制光束實現時變三維光扭矩的技術方案(Fig. 1b)。這種調制的激光光束能夠施加任意方向的旋轉扭矩，進而操控微粒在不同時間沿著指定三維轉軸做連續旋轉運動(Fig. 1c)，被稱為“三維光學扳手”。團隊還利用該技術實現了活體細胞的三維旋轉操控。該技術實現了激光對微粒的全自由度操控，將光鑷對微粒的三維平移操控拓展到三維平移與轉動同時操控。光鑷新的操控功能有望在細胞三維層析、光學傳感、微機器人等領域激發新的應用。
 

　　中國科大光學與光學工程系博士生吳一京為論文第一作者，中國科大龔雷副教授和新加坡國立大學仇成偉教授為論文的通訊作者。上述研究得到了國家自然科學基金、安徽省自然科學基金和唐仲英基金會的資助。