华盛顿——研究人员发明了一种基于芯片的光学镊子，它可以在真空中使纳米粒子光学悬浮。光镊——利用紧密聚焦的激光束来固定活细胞、纳米粒子和其他物体——可以用于各种精密测量和传感应用。然而，这些光学陷阱通常是由笨重的光学元件制造的。
“通过使用超薄超构透镜，我们将聚焦透镜的直径从25毫米减少到0.4毫米，”普渡大学的研究小组组长李同仓说。这种基于芯片的设计可以用来创建一个集成的、灵活的光学系统，通过捕获距离表面不到1微米的物体来研究近表面力。它也可能有助于在真空中捕获冷原子来研究量子过程。”
在Optica, Optica出版集团的高影响力研究期刊上，普渡大学和宾夕法尼亚州立大学的研究人员报告了在真空中使用超薄超透镜实现的片上光学悬浮。在真空中完成这一壮举有助于提高系统的灵敏度。
李说:“光学悬浮粒子可以用来制造加速计和陀螺仪，这些都有可能用于导航。”“科学家们还利用光学悬浮粒子来寻找暗物质和暗能量，并研究短距离重力，这将加深我们对自然的理解。”
转向便携式陷阱
这项新研究源于之前的工作，在之前的工作中，研究人员利用真空中的光学悬浮技术制造出了迄今为止最快的人造转子和最灵敏的扭矩检测器。
“下一步，我们希望通过最小化系统使其便携化，使光学悬浮技术更加实用，”Li说。“我们开始使用超透镜来缩小聚焦透镜的尺寸，超透镜是一种利用纳米结构聚焦光线的平面透镜。”
在这项新研究中，研究人员设计了一种由数千个硅纳米颗粒组成的超构透镜。超透镜的直径大约是他们以前使用的传统物镜直径的50倍。
“其他研究小组最近已经演示了基于超构元的液体光学阱，”这项工作的第一作者沈坤宏说。“虽然在真空中进行光学捕获有助于减少来自液体或空气的噪音，但这也很难做到。”
用一个平面透镜悬浮
为了测试他们的新光学设计，研究人员将一束强激光引导到超构透镜上，以产生捕获力。然后他们将稀释的纳米颗粒溶液喷洒到捕获区域。当一个纳米粒子被捕获时，它会变成一个亮点，可以用相机观察到。光子探测器实时测量纳米颗粒的运动。
他们证明，超分子透镜可以在2×10-4 Torr压力(约400万大气压的1/ 400)的真空中悬浮纳米颗粒，而不需要任何反馈稳定。他们还能够在两个独立的光学阱之间转移悬浮的纳米颗粒。
“我们的超构透镜是一种纳米结构层，厚度仅为500纳米，数值孔径约为0.9。它提供了与传统笨重透镜相似的性能，”宾夕法尼亚州立大学的研究团队负责人倪兴杰说。“超构透镜是完全真空兼容的。更有趣的是，我们可以灵活地设计它来执行额外的功能，例如，过滤聚焦光中的低空间频率成分，我们已经证明这有利于纳米粒子的光学悬浮。”
研究人员现在正致力于通过提高超透镜的传输和聚焦效率来改进微型悬浮装置。他们还想让超透镜的直径更小，使光学悬浮在现实世界的应用更实际。
论文:沈凯，段勇，朱萍，徐志刚，陈晓明，张磊，安建军，倪晓宁，李天涛“基于超构透镜的片上光学悬浮，”光学学报，8,11(2021)。
DOI: https://doi.org/10.1364/OPTICA.438410。
视对
