青年人才是国家战略人才力量的源头活水。《光学学报》的青年编委团队有朝气、有活力，不仅勇攀科技高峰，还积极为期刊献计献策献文，是促进中国科技期刊建设的生力军和后备力量!编辑部特邀青年编委中国科学院西安光学精密机械研究所徐孝浩副研究员撰写综述“超构表面赋能光学微操控技术”，重点介绍了基于超构表面的多种微操控器件，并结合微纳结构的拓扑光学性质，对拓扑光操控等新奇效应进行了探讨，被选为2024年第5期封面文章。
封面解析
封面从两方面描绘了超表面在光学操控技术中的代表性应用：一方面是以超表面作为光场调控器件，得到新颖的结构光作为微小粒子操控手段，包括微粒的三维俘获和旋转;另一方面反映在超表面自身独特的光力学响应，即以超表面作为光场的动力学操控对象，使该结构实现类似于日常生活中无人机和汽车的运动模式。这两方面都和超表面优异的光场塑形能力有关。
原文链接：《光学学报》2024年第05期封面文章 | 徐孝浩, 高文禹, 李添悦, 邵天骅, 李星仪, 周源, 高歌泽, 王国玺, 严绍辉, 王漱明, 姚保利. 超构表面赋能光学微操控技术(特邀)[J]. 光学学报, 2024, 44(5): 0500001.
导读
光学超构表面凭借其小型化、集成化的优势和对光场的出色调控能力，近年来已被深入应用于光学微操控技术研究，这标志着该交叉领域进入了新的发展阶段。特别地，由于超构表面自身处于微纳尺度，具有被光场驱动从而产生机械运动的潜力，这一特性为发展新一代光驱动的人工微机器人提供了重要的理论基础和技术支撑。论文依次从光学微操控的基本原理和超表面的相位调控机制出发，详细回顾了基于超构表面的多种微操控器件，并结合微纳结构的拓扑光学性质，对拓扑光操控等新奇效应进行了探讨。
1
背景介绍
在人们的想象里，科幻大片中的激光武器总是先进技术的代名词，它们在战斗中能够释放出惊人的威力，还能巧妙地捕捉或锁定对手。比如，在2021年《头号玩家》这部热门电影中，里面的主角Guy就用一款超酷的激光武器轻而易举地在空中抓住了反派Dude。这场面不仅让影院里的观众热血沸腾，也向我们展示了光学微操控技术的无限可能——这种技术通过光力来操控物质，既不需要接触也能在真空中操作。
传统意义上，要产生这样精细的光力通常需要借助体积庞大的光学元件，比如空间光调制器，这让整个操控系统变得笨重而难以集成。同时，传统方法依赖于紧聚焦的光束来操控物体，这大大限制了光力的应用范围。面对这些挑战、尤其是在设备的小型化和操作的简化方面，超构表面技术的出现就像一股暖流，推动了光学微操控技术的飞速发展。这种技术不仅能够在超薄的体积内实现衍射极限级别的聚焦能力，还能在多个维度上精细调控光场。这样的片上集成设备极大地缩小了微操控系统的体积，并且大幅度扩展了光场调控的自由度。更重要的是，这些微结构独有的光力学性质，在准平面波的激发下可以产生可控的运动，为基于准平面波的宽场操控技术提供了新的可能性。这不仅代表了技术的一大飞跃，更是人们向更高水平器件迈进的重要一步。
2
研究进展
2.1 超构光镊
光镊依赖于高度聚焦的激光光束，利用其焦点来实现微小物体的捕获和操纵。当目标粒子位于光束焦点附近时，其受到的散射力与光强梯度力达到平衡状态，粒子被稳定地束缚于该位置。通过超构表面调制生成紧聚焦光场，可以在极大缩小光学系统体积的情况下提供光镊的基本功能。针对不同的应用场景，领域内已开发出多种基于超表面的光镊实现方案，如，单势阱光镊、光纤光镊和全息光镊等，如图1所示。
图1 几种典型的超构光镊。(a)超构单势阱光镊;(b)超构全息光镊;(c)超构光纤光镊;(d)反射式超构全息光镊[图片来自ACS Photonics, 2023, 10(5): 1341-1348]
2.2 基于超构表面产生的多元化光力
除光镊之外，人们也致力于通过超构表面实现其他微粒操控功能。例如，产生能使物体沿光束传播反方向运动的牵引光束[图2(a)]，或利用超表面分束构建原子阱[图2(b)]。此外，超表面的多维光场调控能力也允许人们构建具备螺旋相位特征的光学扳手，甚至使它与光镊片上集成[图2(c)、(d)]。这类设计同时促进了微操控工具的芯片化和功能集成化。
图2 基于超构表面的其他微操控工具典例。(a) 超构表面用于微粒牵引;(b) 超构表面用于原子冷却;(c)(d) 光镊-光扳手片上集成
2.3 微纳超构机器人
以上技术范式聚焦于通过超构表面调制的光场与微观物体之间的相互作用。尽管与传统的光学微操控系统相比，它在紧凑性和操控精度上都有所进步，但操控功能仍然受限于传统光力理论的框架。由于超表面材料的非均匀及各向异性属性，其自身将受到由光散射导致的反作用力，从而具备独特的光力学效应。这促使人们将超表面作为操控材料引入微操控领域。通过巧妙地定制散射场，可以对反作用力进行控制，从而发展基于准平面波入射(优点：照明范围广、无须光场预调制)的微操控技术，如，准平面波中的横向力激发[图3(a)]和自稳效应[图3(b)]以及超构载具技术[图3(c)、(d)]。
图3 光力学超表面材料。(a)等离激元超构马达;(b)自稳定悬浮超表面;(c)前进式超构光栅;(d)全功能超构跑车
2.4 基于拓扑性质的微操控行为
拓扑光子学是近年来迅速崛起的一个研究领域，它继承于凝聚态中的拓扑物理，主要研究光在人工微结构中(特别是在存在拓扑缺陷或边界的系统中)的传播特性。与前文提及的超构表面光场调控不同的是，拓扑光子学的焦点在于整体的系统特性和拓扑性质，如鲁棒性和抗反射的边缘态传输。因此，在微结构上存在其他微粒、杂质或结构缺陷的情况下，光仍然可以定向地、无损失、无反射地沿着界面传播。因此，拓扑光子学为设计和实现更为复杂的光学微操控行为提供了全新的途径和方法(图4)。
图4 基于拓扑光子学的光学微操纵。(a)基于四方晶格的拓扑光子晶体波导实现光学牵引力
