中科院光學捕獲理論研究取得重要進展

中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室姚保利研究小組早在多年前就開展了光學微操縱技術的研究，已掌握了激光光鑷、飛秒激光光刀、顯微光譜儀等核心技術，研發出了具有自主知識產權的激光光鑷產品，并成功投放于市場。近期該研究小組又瞄準特殊光束及特殊微粒光學捕獲力計算的理論問題，進行了深入的研究，取得了一系列具有創新性的研究成果，先后在美國光學快報(Optics Letters)、美國物理評論A(Physical Review A)、美國光學學會會志B(J. Opt. Soc. Am. B)等國際一流學術刊物上發表相關論文5篇，得到了國外同行專家的認可和積極的評價。

光學捕獲(Optical trapping)又稱光鑷(Optical tweezers)是一種新型的光學微操作技術。它將一束光用高數值孔徑的物鏡聚焦成微米級的光斑形成梯度來實現對微小粒子的捕獲和移動。這項技術被廣泛應用于各種微觀領域的研究，如在生物和醫學領域，它已成為深入研究活體細胞和生物大分子個體行為，探索生命運動規律的重要手段。普通光鑷是用高斯光束對球形微小粒子的捕獲，其在理論和實驗上都已比較成熟。然而一些特殊的光場模式或非球形微粒的光學捕獲表現出一些特殊的現象和行為，成為近年來光學捕獲領域的一個新的研究熱點。

姚保利研究小組在光學捕獲理論研究方面取得的主要創新點如下：

1、提出了用CSPSW矢量勢來描述徑向極化的零階拉蓋爾-高斯光束，得到了具有簡單數學形式的徑向極化場各個分量，能精確滿足麥克斯韋方程組。應用Lax微擾級數法，提出了五次方修正的徑向極化拉蓋爾-高斯光束(R-TEMn1)的精確描述方法。研究論文發表在美國《物理評論A》和《光學快報》上。國外同行專家評價指出“這個論題對光學界很有興趣”，“他們給出了矢量勢一個簡潔明確的表達式，以此可以很容易地計算出場分布。他們將結果與五次方微擾展開方法得到的結果進行了比較，符合得非常好。

2、提出了一種改進的T矩陣方法，能計算任意橢球體在聚焦高斯光場中的橫向和軸向捕獲力，克服了普通的T矩陣方法只能計算軸對稱型粒子(如球體、圓柱、回旋橢球體等)的缺陷。提出了一種快速計算散射場的算法，比傳統算法節省一倍的時間。研究論文發表在《美國光學學會會志B》上，國外同行專家評價指出“與多數關于球形粒子的研究工作相比，關于非球形粒子的工作比較少，用精確電磁場方法研究的也很少，而關于非旋轉對稱粒子如三軸橢球粒子所受的光學捕獲力計算方面的研究則更為稀少。因此這篇文章對這方面的研究做出了很有價值的貢獻。

3、用嚴格的電磁場理論證明了徑向極化零階拉蓋爾-高斯光束只能改善大于一定尺寸粒子軸向捕捉效率。當粒子尺寸進入幾何光學范圍后，與國外同行用幾何光學模型得到的結論完全相同，同時還給出了幾何光學模型無法得到的一些結果，研究論文發表在《物理評論A》上。