基于超构表面的片上三维光学操控
2026-04-19 22:51:55   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

近年来，基于超构表面（Metasurface）的片上光学操控由于其在单细胞分析、原子冷却和生物传感等方面的潜在应用而备受关注。然而，迄今为止，基于超构表面的三维（3D）操控平台仍有待探索，这限制了对实际应用至关重要的可实现自由度。

据麦姆斯咨询报道，近日，同济大学、台湾国立成功大学等科研机构利用光子自旋霍尔效应，提出了一种集成多功能超构表面的片上三维操控平台。该超构表面通过结合几何相位与传播相位进行设计，并利用空间复用实现了在不同波长下对不同空间自由度的独立调控。通过改变入射光的偏振态或波长，系统可以在三维空间内的四个焦点位置之间切换，从而实现对微粒的动态操控。实验结果表明，该平台能够实现稳定且可调的三维微粒操控，其横向和纵向位移分别达到24.2 μm和90 μm。上述结果为微型化三维光学操控提供了一种有效平台，并凸显了基于超构表面的片上操控在高效集成方面的潜力。上述研究成果以“Metasurface-Enabled On-Chip Three-Dimensional Optical Manipulation”为题发表于ACS Nano期刊。

图1a展示了一个基于超构表面的片上三维光学操控平台，其工作波长为457 nm和532 nm。如图1a左侧所示，在457 nm光照下，超构表面将入射的左旋圆偏振光（LCP）聚焦并转换为右旋圆偏振光（RCP），在x轴正方向形成一个焦点；相反，当入射为右旋圆偏振光时，则被转换为左旋圆偏振光，并在x轴负方向形成焦点。当微粒位于焦点附近时，会受到光学梯度力作用，从而被稳定捕获在焦点处。通过将入射偏振从左旋圆偏振光切换为右旋圆偏振光，焦点位置相应发生转移，从而驱动微粒沿x轴由右向左的可控运动。

如图1a右侧所示，在532 nm激光照射下，入射的左旋圆偏振光被转换为右旋圆偏振光，并在z轴下方形成焦点；而入射的右旋圆偏振光则被转换为左旋圆偏振光，并在z轴上方形成焦点。此外，这两个焦点在y轴方向上还存在一定偏移，使得通过偏振切换可以在y–z平面内实现微粒操控。

图1 基于超构表面的片上三维光学操控平台

通过对入射光偏振态和波长的联合调制，该单一超构表面即可实现微粒的三维操控。图1b给出了该超构表面的光学显微图像和扫描电子显微镜（SEM）图像。值得注意的是，为实现空间复用，不同工作波长对应的纳米柱在超构表面中沿对角线方向排布。

为实现偏振与波长可切换的多功能超构表面，需要对不同偏振态和不同波长下的光场进行精确的相位调控。为实现对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的独立调控，研究人员同时利用几何相位和传播相位。具有空间变化旋转角θ的半波片（HWP）纳米柱可引入几何相位，从而对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别施加大小相等但符号相反（±2θ）的相位调制。

研究人员在SiO₂衬底上采用TiO₂纳米柱来实现上述相位分布。图2a展示了对应的TM和TE偏振光的透射率与相位响应。研究人员筛选出17种具有高透射率且传播相位覆盖范围为−π至π的纳米柱结构（见图2b）。这些纳米柱在TM与TE偏振光之间呈现π的相位差，可作为半波片（HWP）使用。基于所设计的相位分布，在457 nm下，超构表面可实现将左旋圆偏振光聚焦到右侧、右旋圆偏振光聚焦到左侧。为实现空间三维调控，研究人员进一步针对532 nm设计了相应的相位分布。同样地，在该波长下构建相位库，并选取覆盖传播相位从−π到π的半波片结构。在此情况下，左旋圆偏振光聚焦于下方焦点，而右旋圆偏振光聚焦于上方焦点。

图2 偏振与波长复用超构表面的设计及光学性能

受仿真条件限制，研究人员使用时域有限差分（FDTD）软件对边长为43.56 μm的超构透镜（Metalens）进行数值模拟。仿真结果（图2c）表明，在457 nm波长下，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的焦点分别接近设计位置（0.23 μm, 0, 23.26 μm）和（−0.23 μm, 0, 23.26 μm）。在532 nm波长下，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的焦点分别位于（0, 0.23 μm, 32.57 μm）和（0, −0.23 μm, 33.50 μm）。通过切换入射光的偏振手性和波长，可利用光学梯度力驱动微粒在不同焦点之间进行可控运动，从而实现沿x、y和z三个方向的操控。

在上述仿真指导下，研究人员制备了一个边长为1872 μm的放大尺寸超构表面。其焦点位置按照比例放大原则进行设计，同时保持数值孔径（NA）基本不变。该器件的四个焦点分别位于（13 μm, 0, 1000 μm）、（−13 μm, 0, 1000 μm）、（0, 13 μm, 1400 μm）和（0, −13 μm, 1490 μm）。不同波长和偏振条件下的实验聚焦性能如图2d上排所示；在各自焦平面上沿x轴（457 nm）和y轴（532 nm）的电场强度分布如图2d下排所示，其采样位置由图中虚线标出。

图3a展示了利用所制备超构表面进行微粒操控的实验设置。实验中采用了两种激光光源，分别为457 nm和532 nm。通过线偏振片和四分之一波片（QWP）将激光转换为圆偏振光，并利用半波片切换偏振手性。随后，利用分束器将两束光合并，并通过扩束系统（L1、L2）将激光光斑放大，使其在超构表面上近似为平面波照明。由于波长差异较小（457 nm与532 nm），扩束效果的变化可以忽略不计。此外，通过另一分束器引入白光光源，用于照明微粒。直径为20 μm的聚苯乙烯微球被分散在水中，并通过成像间隔片将其封装在载玻片与盖玻片之间，从而形成具有一定厚度的液体腔室。

图3 微粒操控的实验演示

在457 nm激光照射下，如图3b所示，在x轴方向形成两个焦点。当入射为左旋圆偏振光时，焦点出现在右侧（虚线圆所示）。在120 mW激光功率下，光学梯度力将附近微粒吸引至焦点处，并在30 s时实现稳定捕获。当在60 s时切换为右旋圆偏振光后，焦点向左移动，导致微粒沿x轴迁移，并在135 s时被捕获于新的焦点位置。当在150 s恢复为左旋圆偏振光时，微粒返回右侧焦点，实现约24.2 μm的横向位移。在图3c中，背景颜色表示偏振态的切换过程。

在532 nm光照条件下，如图3d所示，在y–z平面内形成两个焦点，焦点位置以虚线圆标示。在左旋圆偏振光照射下，微粒在30 s时被捕获于下方焦点，此时散射力与梯度力达到平衡，从而维持其稳定位置。当切换为右旋圆偏振光时，焦点向上移动，驱动微粒上升并沿-y方向发生位移。在120 s时，微粒移出了相机的焦平面。随后将相机向上移动约90 μm后，确认微粒在上方焦点处实现稳定捕获。再次切换回坐旋圆偏振光后，微粒返回下方焦点，实现约25.9 μm的横向位移和约90 μm的纵向位移。

通过连续切换入射光的偏振态和波长，可以实现三维光学操控。如图4a上排所示，当样品位于532 nm的焦平面附近时，通过偏振切换可实现微粒在y–z平面内的运动；如图4a下排所示，当样品移动至457 nm的焦平面时，则可实现沿x轴方向的横向运动。研究人员还定量评估了其捕获能力（图4b），表明该系统具有稳定的捕获能力。这种基于波长复用的设计实现了三维光学操控，其微粒运动轨迹如图4c所示，验证了该超构光镊（meta-tweezer）的有效性。

图4 稳定且可控的三维光学微粒操控

综上所述，这项研究提出了一种基于超构表面的片上三维光学操控平台。通过结合几何相位与传播相位调制，该超构表面能够对不同自旋态的光场实现独立调控，从而形成两个可通过偏振切换的捕获点。在457 nm和532 nm波长下引入空间复用，实现了对微粒的三维光学操控。实验结果表明，通过切换偏振态和波长，可实现微粒在不同焦点之间的稳定且可控传输。与传统光学系统相比，该超构表面器件显著简化了光学系统体积，并通过参数化设计实现了多自由度操控。在未来实现中，若结合电光调制器和可调谐激光源对偏振和波长进行调制，有望进一步降低系统体积与复杂度。本研究推动了超构光镊领域的发展，并为各种“芯片实验室”（lab-on-a-chip）应用提供了一种紧凑且高效的片上光学操控方案。未来，该方法有望在单细胞定位、微组装以及多层微粒操控等应用中发挥重要作用。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.6c01194

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