近期，中國科學院西安光學精密機械研究所研究人員在基于超表面的光學微操縱研究中，利用優(yōu)化設計制備的偏振復用介質超表面（metasurface），實現了對二氧化硅和碳酸鈣等微粒的捕獲、移動、自旋和環(huán)繞等操縱，為基于超表面的多功能光學微操縱奠定了基礎。

超表面是由亞波長尺寸的超原子（meta-atom）排列而成的平面陣列，這些超原子的幾何結構和空間排列方式可根據目標相位分布而精確設計，能夠實現對光場的振幅、相位、偏振態(tài)和角動量等參量的靈活調控，在光學成像、光學測量、光通信、光顯示、光學微操縱等領域具有重要的應用價值。光學微操縱技術利用光的力學效應，通過對入射光場的空間調制，可以實現對微觀粒子的捕獲、移動、旋轉、輸運、分選等豐富靈活的操控，具有非機械接觸、低損傷、控制精度高、可精確測量微小位移和作用力等優(yōu)點，已經成為物理、化學、生物等領域的重要研究工具。

基于超表面的光學微操縱系統具有結構緊湊、易于與微流控芯片集成等優(yōu)點，可應用于片上生化傳感、粒子動力學分析和細胞測量分析等領域。已報道的利用單個超表面實現的光學微操縱系統僅能夠實現單一種類光場的產生，難以完成對微粒的多功能操縱。針對該問題，研究團隊通過將不同的相位分布加載到正交圓偏振態(tài)上，利用單個超表面實現了正交圓偏振光入射下聚焦高斯光束與渦旋光束的產生，這兩類光束還攜帶有正交的自旋角動量，當與微粒相互作用時，能夠將光學梯度力、軌道角動量和自旋角動量傳遞至微粒，實現對微粒的多種操縱。

研究成果以Experimental demonstration of optical trapping and manipulation with multifunctional metasurface為題于近期發(fā)表在Optics Letters上。研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）和國家自然科學基金項目支持。

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圖1 基于多功能超表面的光學微操縱示意圖

圖2 多功能超表面樣品結構及其光學微操縱微粒驗證