中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態(tài)光學與光子技術國家重點實驗室姚保利團隊與國內外相關科研單位合作，在橫向光動量和角動量調控及微粒操縱應用方面取得系列進展。其相關研究成果近期相繼分別發(fā)表于《激光與光子學評論》《自然-通訊》和光學權威綜述期刊《光學與光子學進展》上。　　

　　姚保利團隊與合作者不但提出自旋動量誘導光力的基本理論，建立了光與任意階多極子相互作用自旋動量力的標準模型；而且利用光場調控技術產生特殊圓偏振光束，將其應用于非局域光學微操縱實驗，進而驗證了這一理論的正確性。這一成果發(fā)表于《激光與光子學評論》上?！　?/p>

　　“我們課題組采用特殊調控的圓偏振光束作為激發(fā)場。該結構光場能夠消除微粒的偶極子輻射，并極大抑制光束在聚焦過程中產生的軌道角動量，獲得高純度的方位角自旋動量（軌道/自旋比<3%）,從而降低偶極子響應和軌道動量對光力的影響?！币Ρ＠榻B，“最終使用金米氏微粒作為探針觀測到了高階多極子誘導自旋動量力的非局域作用及其驅動的微粒軌道旋轉運動?！薄　?/p>

　　光學研究領域的相關專家認為，這類BSM誘導的光力有望引領下一代光學微操縱技術革新，并為研發(fā)新型光場探測器及懸浮光力學系統(tǒng)提供新思路。

高階多極子自旋動量力的非局域作用及其驅動的微粒旋轉軌跡?！?/p>

　　除了橫向動量，橫向角動量同樣代表著一類奇特的光場動力學屬性。姚保利團隊徐孝浩副研究員與英國倫敦國王學院James Millen課題組合作，構建出可攜帶橫向內稟軌道角動量的單色渦旋光場，并實現(xiàn)了橫向渦旋驅動的懸浮光機轉子。這一個研究成果發(fā)表于《自然-通訊》上?！　?/p>

　　“該工作采用兩列相向傳播的相干線偏振聚焦光束構建橫向角動量，并通過對它們的光軸引入橫向間距打破全局角動量平衡，產生沿橫向延伸的相位奇異點線即橫向軌道角動量，從而在軸截面形成渦旋陣列?！币Ρ＠v解，“這類結構光繼承了聚焦駐波光場的三維捕獲能力，可將微粒束縛于奇點位置，從而在誘導微粒自轉的同時抑制軌道旋轉行為?！薄　?/p>

　　據(jù)了解，他們在實驗中采用在真空中捕獲的棒狀Si納米顆粒探測橫向渦旋，并成功觀察到了顆粒的三維束縛及橫向旋轉行為。在1mbar氣壓下實現(xiàn)了10MHz的轉動頻率，為目前在該真空度條件下報道的最高轉頻?！　?/p>

　　相關專家表示，相比于縱向轉子，橫向旋轉可最大化縮短轉子與界面的間距，從而為檢驗真空摩擦、卡西米爾力等短距作用力提供了絕佳平臺；此外，由于這類干涉場天然具備多重渦旋結構，有望用于設計懸浮光機轉子陣列，為研究轉子間的相互作用、發(fā)展高精度力矩傳感技術等提供新方法。

雙波干涉場中的橫向渦旋。

　　另外，姚保利團隊基于近年來對光學自旋動量（BSM）、虛動量（IPM）、自旋角動量（SAM）、軌道角動量（OAM）、多極子光力（MOF）的理論創(chuàng)新和實驗研究積累，聯(lián)合同濟大學、清華大學、西班牙國家研究委員會、新加坡國立大學、新加坡南洋理工大學等國內外知名研究機構，在《光學與光子學進展》上發(fā)表的長篇綜述論文，詳細論述了橫向光動量和橫向光力的研究進展，展望了其在量子物理、自旋電子學、生物物理，光學微操縱及材料科學等諸多領域的應用前景。

基于光場調控的橫向光動量及橫向光力分類。文中圖片均由論文作者提供　

　　相關論文信息：　　

　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/lpor.202300245　　

　　https://www.nature.com/articles/s41467-023-38261-7　　

　　https://opg.optica.org/aop/abstract.cfm?uri=aop-15-3-835