利用矢量空心光束操控瑞利粒子

封面文章|曹萌,周婧雯,汤继鸿,裴春莹,尹亚玲. 新型椭圆矢量空心光束中瑞利粒子的操控理论[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(5): 052602。

在科幻剧《星际迷航》中出现一种“牵引光束仪”，当友好星舰遇难之时，一艘星际飞船将启动牵引光束仪，将遇难星舰牵引到安全区域。

图1 《星际迷航》里的一艘星际飞船利用牵引光束拖拽一艘更小的飞船

美国物理学家Arthur Ashkin在贝尔实验室发现了如何用聚焦激光束来抬起、移动和斥离微粒与病毒等微小物体，这一发明被称为光镊。2018年，Arthur Ashkin凭借其成果“光镊及其在生物系统中的应用”获得了诺贝尔物理学奖。

光束照射在瑞利粒子（瑞利粒子是指尺度远远小于光波长的粒子，通常认为粒子尺度小于波长的1/20即为瑞利粒子）上会与粒子发生相互作用，产生光辐射压力。梯度力对粒子的二维囚禁起主导作用，散射力对粒子的二维囚禁有副作用。故当散射力与梯度力相比可以忽略时，粒子才可能被光束很好地操控。

不同于尺度较大的粒子，瑞利粒子的分子热运动不能被忽略。因而需要采用强度足够大的光束来产生足够大的梯度力来克服粒子热运动从而囚禁粒子。

空心光束是一种中心强度为零的激光光束，具有桶状强度分布、较小的暗斑尺寸和传播不变性等一系列新颖独特的物理性质。空心光束按照偏振分布是否均匀可以分为标量空心光束和矢量空心光束，其中矢量空心光束具有特别的电磁场分布、特殊的偏振和聚焦特性。

采用聚焦后的矢量光束能提供更大的梯度力，可以获得更深的光势阱，能更好地操控粒子，也可以获得更小的光斑去操控更小的分子。

华东师范大学尹亚玲博士课题组用矢量空心光束代替标量光束对粒子进行操纵，该课题组采用椭圆矢量空心光束来非对称操控瑞利粒子的方案，模拟了粒子在空心光束中的动力学过程。

基于瑞利粒子操控的理论模型，该课题组分析了光场梯度力。研究结果表明，光强越大，梯度力越大，越有利于粒子囚禁；场力最值位置只与光场空间分布有关，与光强最值大小无关。

在图2中，当瑞利粒子折射率小于介质折射率时，在空心光束中作用于瑞利粒子上的梯度力方向如箭头方向所示，指向光强最小值的地方，粒子被引导向光强最弱的地方即光束中心，继而被囚禁。

图2 瑞利粒子在空心光束中梯度力方向

经过理论计算后，讨论了粒子囚禁的稳定性与三个因素有关：

第一，散射力与梯度力之比；

第二，粒子因热运动而造成的扰动量；

第三，粒子的重力。

研究结果表明，散射力大小数量级为10-45N，远远小于梯度力量级，满足第一点要求。

接下来，根据室温下水分子的动能，计算出水分子热运动的速度，调整光强大小使势阱深度满足克服热运动的条件，以满足第二点要求。模拟中水分子的半径为20 nm，重力数量级为10-19 N，远远小于梯度力，因此也满足了第三点要求。

该课题组用Monte-Carlo方法模拟水分子在光场中的运动动力学过程，得出粒子的轨迹局限于一极小区域内，说明了水分子被束缚在了光束的空心区域，如图3所示。

图3 单个粒子在光场中的运动轨迹

研究结果表明，瑞利粒子在椭圆矢量空心光束中所受散射力的大小远远小于梯度力，选择合适的光强可以将粒子囚禁在光束非对称空心部分。该方案在原子分子物理、生物物理、量子光学等方面具有广阔的应用前景。