Robust Orbital Angular Momentum Transfer Using low-cost Diffractive Optics
本文表明，利用打印在醋酸纤维上的低成本、静态二进制全息图，即可实现用于微观粒子光学捕获与旋转的鲁棒轨道角动量传递，尽管其衍射效率较低，但仍能为昂贵的编程光学器件提供一种可扩展且高损伤阈值的替代方案。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一个光不仅仅是照明，还能抓取、固定并转动水中漂浮的微小物体的世界。这就是光镊的领域，这种工具利用聚焦激光束的压力来捕捉像细菌或塑料珠这样的微观粒子，而无需接触它们。几十年来，科学家们一直利用这些光束来研究生命的力学机制，从细胞如何运动到分子如何相互作用。这项技术一个特别引人入胜的延伸是让被捕获的物体旋转。通过将激光束塑造成一种特殊的涡旋，类似于光的龙卷风，研究人员可以将一种被称为轨道角动量的扭转力传递给粒子，从而使其旋转。这种控制旋转的能力对于微型机器人学和生物物理学等领域至关重要，在这些领域中，转动微型齿轮或搅拌流体细胞通常是必要的。然而，制造这些扭转光束传统上需要昂贵且复杂的机械，这使得许多实验室难以负担或操作。
在最近的一项研究中，研究人员展示了这种高科技操控可以通过非常简单且廉价的材料来实现。由 Beatriz Morales-Cruzado 及其同事领导的团队表明，他们可以使用打印在透明乙酸盐片（即常用于投影仪的材料）上的静态全息图来产生所需的扭转光束。他们没有依赖于花费数千美元的复杂计算机控制设备，而是使用这些打印图案来塑造标准的激光束。当激光穿过乙酸盐片时，打印的设计会使光线发生分裂，创造出一种中心带有空洞且具有螺旋相位模式的特定光束。这种光束在被紧紧聚焦时，可以作为一个陷阱，捕捉一个微观粒子并使其旋转。研究人员发现，尽管打印的全息图效率并不完美——仅将大约 2% 的激光功率转化为有用的扭转光束——但剩余的光强度仍然足以驱动粒子。在实验中，他们使用不到 1 毫瓦的有用光束功率就让聚苯乙烯微珠稳定地旋转，证明了高成本设备并不是进行这种精确控制的严格要求。
实验涉及一个设置，其中一束绿色的激光束通过一系列这些乙酸盐全息图，每个全息图都打印了不同的图案，以产生具有不同扭转程度的光束。研究人员测试了旨在产生具有不同旋转程度光束的图案，这些程度通过 2 到 5 之间的数字进行标记。当光经过全息图时，它形成了一个中心黑暗的环状光束，这种形状非常适合将粒子捕捉在环的中间。团队将直径为 1 或 2 微米的微型塑料珠放入水中的陷阱内。然后，他们观察随着改变激光功率和使用的全息图类型，微珠的行为如何变化。结果很明确：随着他们调高激光功率或使用具有更多扭转度的全息图，微珠开始旋转，且旋转速度也随之增加。对于较小的微珠，研究人员可以看到多个粒子同时在光环内旋转；而较大的微珠由于较难放入环内，通常会导致单个粒子被捕获。
这项工作最重要的发现之一是这种低成本方法的鲁棒性。尽管打印的乙息盐全息图效率较低，但它们产生的光束足够纯净且均匀，能够可靠地传递扭转力。研究人员测量了旋转微珠的速度，并发现它遵循一个可预测的模式：功率越大，旋转越快；扭转程度越高，旋转也越快。他们注意到，对于测试的最大扭转度，多个微珠的行为变得稍微复杂了一些，这可能是因为旋转的粒子影响了彼此周围的水流，但旋转粒子的基本能力依然保持完好。研究人员还观察到，较大的微珠比较小的微珠更容易被带动起来，这一反直觉的结果可以用以下事实来解释：对于较大的物体，光学陷阱变得略微不再那么僵硬，从而允许它们在相同的扭转力作用下更自由地转动。
这项工作确立了操纵物质的能力并不一定局限于资金雄厚的高科技实验室。通过使用打印的乙酸盐全息图，科学家可以创建一个既经济又耐用且易于复制的光学捕捉平台。与以往使用容易受湿度或温度变化影响而变形的摄影胶片的方法不同，这些打印出的薄片保持了稳定性和一致性。该研究证实，即使使用一块简单的静态塑料，也能够产生结构化的光，从而驱动微观尺度的受控机械运动。这为微流控和生物研究领域开辟了更广泛的应用前景，在这些领域中，搅拌、分类或旋转微小物体是必不可少的。研究人员已经证明，只需一点创造力加上一张乙酸盐片，就可以利用轨道角动量的强大物理特性来转动微观世界，使先进的光学操控变得触手可及，让任何人只要拥有激光器和打印机即可实现。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。