IPNP科研成果：光力与光热力合奏出微纳物体驱动的奇妙乐章

Laboratory of Integrated Photonics and Nanophotonics

http://ipnp.zju.edu.cn/

前言

最近，浙江大学现代光学仪器国家重点实验室及浙江大学光电学院仇旻教授团队（集成与纳米光子学实验室）提出了一种联合利用光力和光热力对微纳物体进行驱动的方法。研究发现，拉锥光纤由远端到尖端的倏逝场会逐渐增强，至尖端处可形成极强的光场，故在拉锥光纤中通入超连续光能实现对置于拉锥光纤表面的微米金片的来回推拉驱动。这一发现将在光致机械位移（光驱动马达）方面具有重要意义。该研究成果作为“编辑推荐(Editors’ Suggestion)*”论文，以“Light-induced pulling and pushing by synergic effect of optical force and photophoretic force”为题，于2017年1月23日发表在国际权威物理学期刊《物理评论快报》(Physical Review Letter)杂志上，同时被美国物理协会（APS）的“Physics”栏目以“Focus”形式做了专题介绍。文章的第一作者为卢锦胜（博士生一年级），导师为仇旻（教授）和李强（副教授）。

Citation:

Jinsheng Lu, Hangbo Yang, Lina Zhou, Yuanqing Yang, Si Luo, Qiang Li, and Min Qiu，'Light-Induced Pulling and Pushing by the Synergic Effect of Optical Force and Photophoretic Force，' Phys. Rev. Lett. 118, 043601 (2017)DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.043601

Physics Focus: http://physics.aps.org/articles/v10/6

导读

光与物质的相互作用过程中遵守动量守恒。而光力与光泳力便来源于此过程。

光力来源于光子与物体之间的动量守恒。物质在吸收和散射光子的过程中，光子的动量转移到物体上，从而使物体受到光力。自Arthur Ashkin在1970年第一次利用光力实现了对微纳米颗粒运动的操纵以来，光力研究进入了蓬勃发展的阶段。光力已被应用于各个领域，如冷原子、生物化学、临床医学等，并取得了很多成就。利用光力，科研人员不但可以实现对小到纳米级别的病毒、蛋白质、DNA分子，大到微米级别的细胞、胶质粒子等的操纵，还可以实现微纳结构的组装、微纳颗粒的分类、驱动分子马达等。但大多数光力操纵的实验都只能在溶液（比如水）中进行。

光泳力则来源于光热过程中气体分子与物体之间的动量守恒。对于处在空气中的光吸收物体，由于不同部位吸收不同，物体受到光照时表面光热转化效率也将会不同，从而导致不同的温度分布。温度高的地方，气体分子运动速度快，转移给物体的反向动量多，而温度低的地方，气体分子运动速度慢，转移给物体的反向动量少，不同的反向动量作用给物体施加了一个沿温度梯度变化的力，这便是光泳力。一般而言，物体的光照阳面（后端）吸收多，温度高，阴面（前端）吸收少，温度低，此时光泳力表现为沿着光传播方向的推力。但如果相对于光传播方向的前端温度高而后端温度低，则此时光泳力表现为拉力，即将物体沿逆着光传播的方向拉动。光拉力由于反直觉，近年来吸引了很多研究者。

研究成果

由于光力和光泳力工作的环境不同（光力驱动一般在溶液中进行，光泳力在空气中进行），很少有研究将这两种力联合进行物体驱动。该研究团队首次联合了光推力和光泳拉力，实现了在拉锥光纤上对微米金片的来回振荡驱动。

仿真结果

从拉锥光纤远端到尖端，其直径逐渐变小，光纤表面的倏逝场场由弱变强，若将微米金片放在拉锥光纤靠近尖端处，微米金片在光纤表面因吸收而产生的光热也将由弱变强，从而在微米金片表面形成温度梯度，进而产生非常大的光泳力，这种光泳力能将微米金片沿与光通入方向相反的方向拉动；而当微米金片被拉到远离尖端的位置时，由于散射造成的光力则会将金片往拉锥光纤尖端处推。光力和光泳力的合力在拉锥光纤不同区域符号不同，在靠近尖端处合力为负，即为拉力区间，而在远离尖端处合力为正，即为推力区间。由此形成的光泳拉力和光推力共同作用的驱动系统，可以实现在拉锥光纤上对微米金片的来回振荡驱动。仿真结果如下图1所示。

实验结果

向拉锥光纤中通入超连续激光后，位于拉锥光纤尖端处的微米金片先被拉动，拉到拉锥光纤的中间位置时由于合力变化又被推回到尖端处，之后又被拉上来。其来回振荡的速度依次为35.6微米/秒，28.52微米/秒，37.11微米/秒，如图2所示（参见Gif 1）。要保证微米金片能够被来回推拉，微米金片初始位置不能与光纤尖端过于靠近，而应保持适当距离。从仿真结果可得，当微米金片过于靠近拉锥光纤尖端时，所受拉力极大，远大于推力的拉力将使微米金片在首次拉动过程中直接被拉至很远的位置，而此时金片所处位置处的合力将不足以对金片完成推回操作。这一点已在实验中得到证实（参见Gif 2）。

Gif 1  

Gif 2  

研究意义及展望

研究意义：

1. 实验上实现了光泳拉力，丰富了对光与物质相互作用过程的认知。

2. 首次联合光推力和光泳拉力实现了物体的来回运动驱动，构造了一个光致振荡器。

展望：

联合光力与光泳力驱动微纳物体，从而增加了光力操纵的维度和手段，为多元的光力操纵提供了新的方法，在制作光致机械位移器件以及搭建可重置的光学元件方面具有非常广泛的应用。

你的每一个努力，

都将造就后世的辉煌。

集成与微纳光子学实验室