OpticsGleaner 光学拾萃 2026年3月5日
光镊彻底改变了微纳尺度粒子的操控技术，其影响遍及生物物理学、材料科学和量子光学等领域。然而，在芯片实验室应用中，光镊的小型化进程受到笨重光学元件的阻碍。虽然基于超表面的光镊提供了一种超紧凑的替代方案，但它们存在激光诱导热效应问题，这会降低其性能、稳定性和耐用性。本研究利用金刚石超表面克服了这一挑战，利用该材料卓越的热导率、低热膨胀系数和高光学损伤阈值，确保在高功率照明下保持结构完整性。我们通过实验演示了金刚石超表面光镊的多功能粒子操控，包括二维捕获、精确平移以及通过角动量传递实现可控旋转。这项工作不仅解决了传统超表面光镊的关键热限制问题，还为高功率、小型化光机械系统建立了一个稳健的平台，为其在苛刻光子应用中的可扩展集成铺平了道路。
Fig. 1. (a) 在剧烈温度变化下焦距变化的示意图对比，金刚石超透镜显示出可忽略的焦移，而传统透镜则经历显著的焦距漂移。(b) 制备的单片金刚石超透镜（左）和 2×2 金刚石超透镜阵列（右）的扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜图像。
Fig. 2. (a) 用于表征金刚石超透镜聚焦性能的实验装置示意图。(b) 在室温下测得的单片金刚石超透镜和 2×2 金刚石超透镜阵列的聚焦特性。(c) 热稳定性评估：单片超透镜（记为 fa）和 2×2 超透镜阵列的四个焦距（记为 fb1、fb2、fb3 和 fb4）在不同温度下的变化，右 y 轴显示四焦点超透镜阵列的平均光斑间距（记为 lb）作为位置稳定性的指标。(d) 在激光功率增加条件下，传统物镜与金刚石超透镜之间的焦点位移对比。(e) 在相同激光功率条件下，传统物镜与金刚石超透镜的相应温升对比。
Fig. 3. (a) 将超表面作为波前整形元件的光镊装置示意图。(b) 分别使用单片金刚石超透镜（上）和 2×2 超透镜阵列（下）对二氧化硅微球进行稳定光捕获和可控横向移动的演示，证实了精确的多粒子操控能力。
Fig. 4. (a) 用于表征金刚石涡旋超表面轨道角动量（OAM）产生和光束整形性能的实验装置示意图。(b) 具有不同拓扑荷（l = 10, 20, 30）的金刚石涡旋超表面的性能评估，包括 Z = 300 µm 处的横向光束轮廓（X–Y 平面）以及 X–Z 平面内的重建光束传播轮廓。右图中的白色虚线表示 Z = 300 µm 处的平面。
Fig. 5. (a) 采用金刚石涡旋超表面进行二氧化硅微球可控旋转操控的光镊装置示意图。(b) 在拓扑荷为 l = 10、20 和 30 的涡旋光束下，捕获微球的实测旋转速度，显示旋转速度随拓扑荷增加而单调递增。(c) 通过改变入射圆偏振光的旋向性将拓扑荷从 +20 切换至 −20，实现双向旋转控制，导致旋转方向相应地从顺时针切换为逆时针。
https://doi.org/10.1002/advs.202524086
