可大规模应用的多功能光操控技术

本文介绍了一种基于超表面的新型光学操控技术——广义光学元扳手（GOMS）。传统光学扳手（利用光携带的轨道角动量驱动微粒旋转）通常只能生成环形光场（如甜甜圈状），操控方式单一、难以并行；而GOMS通过精心设计的纳米柱阵列超表面，能直接生成任意几何形状（如三角形、五边形、七边形等）的‘广义光学涡旋’（GOV），且这些涡旋可在传播方向（纵向）或同一平面上（横向）同时存在多个，从而实现真正的并行多任务操控。关键技术有三：第一，采用‘传播可变广义光学涡旋’（PVGOV）设计，让同一束光在不同传播距离处自动形成不同形状的涡旋（例如先呈三角形，再变为四边形），避免了传统方法因衍射导致的中心光强损失；第二，利用圆偏振光的左右旋态作为‘开关’，仅通过调整入射和出射光的偏振方向，就能在单个超表面上独立激活最多6种不同涡旋模式；第三，创新性地将多种涡旋编码在同一芯片上，既可纵向分层操控（不同深度），也可横向并行操控（同一平面多个区域），实验中成功实现了4组微粒链（形似项链）各自按不同方向（顺时针或逆时针）独立旋转，互不干扰。整个系统体积微小、无需复杂光学元件，易于集成到光纤或芯片平台。该技术不仅显著提升了光学微操控的灵活性与效率，也为精准医疗（如靶向递送药物微粒）、基础生物物理（如模拟细胞内力环境）和先进微纳制造（如动态组装微流控喷嘴）开辟了新路径。