封面 | 广义涡旋光束：开启微观粒子的光舞之旅

光与微粒的奇妙邂逅，在微观世界里，激光宛如一只无形的手，轻轻拨动微粒，使它们沿着预定轨迹翩然起舞。广义完美涡旋光束的探索，为这一科幻的场景注入了无限魅力。

传统光学涡旋因其轨道角动量特性在微操控领域备受关注，但其光场尺寸受限于拓扑荷数，强度分布单一环形结构，限制了全息光镊领域的操控性能。中国科学院西安光机所姚保利研究团队提出的广义完美光学涡旋（GPOV）突破了这些限制，通过光栅叠加算法实现拓扑荷数和光束形态的独立调控，为光场赋予了更强的灵活性与操控能力。

文章通过光栅叠加算法编码GPOV相位全息图，并基于电磁散射模型中的 T 矩阵方法，理论解析了紧聚焦涡旋光束作用于微粒的时间平均光学力。随后，搭建荧光-全息光镊系统，旋转传输聚苯乙烯荧光微球，并通过荧光成像直观展现操纵过程。

GPOV的计算全息图（CGH），复振幅表示为：

式中，U(x_m, y_m)表示目标场；H(x_j, y_j)表示入射场，x_j和y_j表示SLM上第j个像素的坐标，而x_m和y_m表示目标场中第m个聚焦点的空间位置。λ是激光波长，f为聚焦物镜焦距，M 表示光焦点的总数。在直角坐标中，粒子传输路径由摆线方程定制。 

通过对包围聚苯乙烯微粒表面的麦克斯韦应力张量积分，计算出粒子所受的时间平均光学力。图1展示了“梨形”完美涡旋光场的产生和受力分析。

图1 紧聚焦“梨形”完美涡旋光场的产生和受力分析。(a) 加载在SLM中的CGH；(b) 焦面处的光强分布；(c) 焦面处的相位分布；(d) 横平面的光力分布，其中黑色箭头的长度和指向分别代表光力的大小和方向，左侧插图为光力分布的局部放大图；(e) 沿x轴强度和光力分布曲线

基于光力计算模型，进一步揭示GPOVs对微粒施加的光力随物镜数值孔径（NA）和相位拓扑荷值（l）的变化规律。如图2（a）（b）所示，随着NA增大，焦场尺寸减小，曲线宽度减小，捕获刚度显著提升。在NA 为0.7-1.4（增量0.1） 时，捕获刚度依次为21.52， 27.34，31.64，35.73，36.21，38.54，40.11和41.68pN/μm。这增强了微粒在光强最大处的捕获稳定性。图2（c）（d）则探讨了拓扑荷对微粒操控性能的影响。随着l的增大，光场相位梯度力增强，驱动微粒沿轨道传输。值得注意的是，随着l增加，F_y增长趋势变缓。

图2 影响GPOV操纵聚苯乙烯微粒的关键参数。(a) “梨形”完美涡旋光场焦场尺寸随NA的变化曲线，插图分别展示了NA = 0.7, 0.9, 1.3时焦面处的强度分布；（b）沿x轴的横向捕获力F_x随NA的变化曲线，绿色圆点为捕获点；（c）拓扑荷l = 30, 40, 50时“花形”完美涡旋光场焦点处的相位分布；（d）沿x轴横向传输力F_y随l的变化曲线，绿色圆点为捕获点

为验证GPOV对荧光微粒的操控能力，基于荧光-全息光镊系统产生“梨形”和“花形”完美涡旋光阱开展微操纵实验。在聚焦物镜的前焦面放置反射镜测量光强分布，图3（a）展示了“梨形”光场在焦面处的三维强度映射。为了增加粒子运动过程的可视化，图3（b）以红色圆圈标记特定荧光粒子，结果发现粒子在光场中顺时针非匀速旋转，这是由于“梨形”光场在拐点位置处的光场强度不均匀，而轨道动量流正比于光强和相位梯度，从而降低了“梨形”光场轨道动量流的均匀性。图4展示了“花形”光场的操控效果。

图3 “梨形”完美涡旋光束操纵粒子旋转运输实验结果。(a) 光场强度三维映射分布；(b) 不同时刻粒子的运动位置，红色箭头指向表示粒子旋转方向

图4 “花形”完美涡旋光束操纵粒子旋转运输的实验结果。（a）光场强度三维映射分布；(b) 不同时刻粒子的运动位置，红色箭头指向表示粒子旋转方向

这项研究不仅拓展了光学涡旋在微操控领域的应用边界，还为微尺度传输、智能光学器件和高效能量利用打下坚实基础。团队计划融入人工智能技术，优化光场轨道动量流的均匀性，探索其在纳米粒子组装和生物传感中的应用。随着研究的深入，这一技术将为光学微操控开启全新的篇章！

姚保利研究员团队，长期专注于光场调控、超分辨成像、光学微操控技术等领域的理论与实验研究。在 Nature Communications、PNAS、Physical Review Letters、Reports on Progress in Physics、Advances in Optics and Photonics、PhotoniX、 Opto-Electronic Advances、Laser & Photonics Reviews、 Photonics Research、Small 等期刊上发表论文300余篇，授权多项国家发明专利，并承担国家自然科学基金重大科研仪器研制项目、国家重大基础研究计划课题、国家重点研发计划课题等30余项重大科研任务，曾荣获陕西省科学技术一等奖、二等奖及重点科技创新团队等多项荣誉。