Light | 郑跃兵： “逆光飞翔”，简单平面波实现长程光学牵引作用

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图片来源：ASME

撰稿 | 郑跃兵

近日，美国德州大学奥斯汀分校郑跃兵教授和清华大学林琳涵副教授等人提出基于光生热电场，利用简单的平面波即可以实现光吸收材料的长程、低功率光学牵引作用。

同时，该研究还提出对加热光束的简单聚焦，可以进一步实现光吸收材料的三维光学自操控。

该技术首次实现了平面波对材料的光学牵引作用，对全光学微流控芯片的设计与创新具有指导作用。

传统的光力学源自于光子的动量以及光与物质相互作用过程中动量的转移。

利用高数值孔径的物镜对激光束进行高度聚焦，可以产生光学梯度力，实现微纳材料的三维光镊操控。

该技术由美国科学家Arthur Ashkin于上世纪80年代发明，并于2018年被授予诺贝尔物理学奖。

基于光的动量效应，一个微纳颗粒在激光照射下，受到光压（散射力）的作用，会沿着光传播方向发生迁移。

然而，利用激光对微纳颗粒实现逆光的牵引作用看上去似乎是一个违反常理的现象。

目前，实现光学牵引作用主要是通过调控光与微纳颗粒相互作用过程中的方向性散射，获得逆向散射力；

或基于光泳现象，利用颗粒在背光方向的逆向加热所产生的光泳作用力实现的。

然而，现有的技术一般要求对操控光束（如贝塞尔光束）和颗粒结构进行特殊的设计方可实现。

一般认为，利用平面波是无法实现光学牵引作用的。

在这项工作中，研究者利用非晶硅纳米球作为演示对象，在非晶硅球溶液中加入CTAC表面活性剂，产生带正电的CTAC胶束离子，带负电的Cl-离子，以及被CTAC吸附的带正电的硅颗粒。

在激光的照射下，面向激光的硅半球温度高，而背向激光的硅半球温度低，在硅颗粒周围产生非均匀温度梯度场，驱使CTAC胶束离子和Cl-离子发生热泳迁移。

由于两者的热泳系数ST差异: ST(CTAC)> ST(Cl-)，胶束离子和Cl-沿着温度梯度产生浓度梯度，引起正负离子的空间分离，获得从冷端指向热端的热电场，从而使带正电的硅颗粒往热极（逆向激光传播方向）迁移。

研究者利用光纤作为加热光源，演示了不同尺寸硅颗粒的长程迁移作用，其工作距离达到毫米量级以上，该方法可以有效克服传统光镊操控范围小的问题，可以实现多颗粒、长距离的高效输送和操控。

此外，基于热电场的光学牵引机制，该研究进一步展示，利用低数值孔径的物镜将加热光束聚焦于硅颗粒上，可以产生硅颗粒的自操控：即利用激光在硅颗粒上产生的热将颗粒束缚于激光光斑处，实现硅颗粒在三维空间的任意光镊操控。

由于光生热电场的高效率转换，该技术可在10^-2 mW/μm² 的功率密度下实现500 nm硅颗粒的三维操控，这比传统光镊降低了3个量级。同时，利用自操控的硅颗粒作为载体，该技术可以进一步推广至其他非吸收性材料的三维操控中。

该工作的研究者认为，利用平面波实现低维材料的光学牵引可以拓展光学微流控的概念。

传统的光学微流控是微流控器件与激光技术的有机结合，然而，对微流体的物理束缚和机械驱动具有一定的局限性。

通过纯光学方法对微流体进行束缚与驱动，为三维、全光学微流控器件的开发具有重要的指导意义。

（a）非晶硅颗粒在激光定向照射下的温度场和温度梯度场。

（b）光生热电场的原理图。

（c）聚焦激光照射下的自生回复力。

（d）硅颗粒的表面热电场分布。

（e）不同CTAC浓度下的面内热电操控力。

（f）不同CTAC浓度下的面内热电操控势阱。

（g）1mM CTAC浓度下的面外热电操控力。

（h）1mM CTAC浓度下的面外热电操控势阱。

（c）单个1200nm硅颗粒的二维动态操控。比例尺为5 μm。

（d）单个500nm硅颗粒的三维动态操控。比例尺为10 μm。

（e）激光透过硅团聚物实现单个700nm硅颗粒的三维动态操控。比例尺为5 μm。

（a）激光加热硅颗粒产生的操控热电场示意图。

（b）数值模拟激光加热硅颗粒产生的操控热电场分布图。

（c）光热载体的操控力学分析。

（d）单个1.2 μm硅光热载体实现2μm聚苯乙烯小球动态组装。比例尺为5 μm。

（e）单个200 nm聚苯乙烯小球在两个1.2 μm硅光热载体之间的转移。比例尺为5 μm。

（f）单个1.2 μm硅光热载体实现单个200 nm聚苯乙烯小球的三维动态操控。比例尺为5 μm。

该项成果以 “Opto-thermoelectric pulling of light-absorbing particles” 为题在线发表在国际光学顶尖期刊 《 Light: Science & Applications 》 上。论文第一作者是清华大学林琳涵副教授，通讯作者为林琳涵副教授和德州大学奥斯汀分校郑跃兵教授。

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