图1 超透镜光镊及其光路系统
1. 导读
光镊技术可利用紧聚焦激光束捕获和操纵微米尺寸的物体，由于其具有操纵及探测精度高、非机械接触、对样品损伤小等优势，被广泛用于生命科学、胶体物理、化学等科学研究中。然而传统光镊系统利用传统光学器件组建，体积庞大、光路冗长，容易受外界漂移噪声影响且难以集成化。为此，近年来科学家尝试利用超表面元件取代传统物镜，以实现光镊系统小型化的目标。但目前提出的基于超表面元件的光镊系统的捕获性能普遍无法比拟传统光镊，或是系统结构无法兼容传统光镊的相关技术，且通常依赖于入射光束偏振态，使其适用性受到较大限制。
针对这些问题，近日中山大学李俊韬教授团队和马杰教授团队在Nanophotonics发表最新合作文章，开发了一套偏振不敏感的透射式超透镜光镊系统，利用对入射光束偏振不敏感的、具有大数值孔径和高聚焦效率的超透镜，搭建具有捕获和平移操纵功能的片上光镊系统（见图1），并成功基于该系统实现对微米小球的捕获、操纵和捕获刚度测量。
该研究成果实现了可比拟传统光镊性能、可兼容传统光镊技术的超透镜光镊系统，展现了未来实现片上型扭矩测量光镊的巨大潜力，为光镊技术的芯片化打开了新思路。
2. 研究背景
实现光镊捕获通常需要对激光束进行紧聚焦，从而产生足够的捕获刚度。传统光镊系统通常使用水浸或油浸物镜进行激光束紧聚焦，并且需要利用透镜组将激光束预扩束以完全利用物镜的数值孔径。这样的光镊系统虽然在科研应用上功能强大，在技术拓展上便利，但是始终需要体积较为庞大的光路系统；而力谱精确测量的要求对隔振平台和应用环境又有更高的要求；此外为了实现更多功能，将光镊系统与其他技术（如角控光镊技术、荧光成像技术、光谱成像技术等）相结合时，又进一步增加了系统的体积和复杂性。由于这些原因，目前光镊技术（尤其是具有单分子力谱测量能力的光镊技术）存在一定程度的受限，使其应用基本停留在实验室科研阶段，而未能得到在工业化或商业化产品上更大范围的普及。
为了实现光镊系统的小型化乃至芯片化，超表面技术近年来被尝试取代传统物镜用于光镊系统中。但是目前仍未有能有效替代传统光镊系统的方案：常用的基于单微纳结构单元的超表面方案因为对大偏折角度光线的偏折效率急剧降低，使得基于这些方案的光镊系统的捕获刚度远低于传统光镊；部分基于反射式超表面的方案虽然实现了较大的捕获刚度，但是其结构构型难以兼容传统光镊技术，包括作用力和作用扭矩的测量，以及共聚焦等荧光成像技术的结合；同时，这些超表面方案在实现聚焦捕获时通常依赖于入射光束的偏振态，从而限制了它们实现诸如旋转操纵等多功能操纵的可能。以上因素都限制了超透镜光镊方案在生物分子学研究等领域的应用。
3. 创新研究
为了实现可比拟传统光镊性能、可兼容传统光镊相关技术的超透镜光镊系统，研究人员基于前期技术积累为光镊系统专门设计了具有大数值孔径、高聚焦效率且对入射光偏振不敏感的超透镜，并利用该超透镜开发了片上光镊系统。研究者采用了一种“自适应”的纳米天线元布置方案，将高效的偏振不敏感的二聚体纳米天线放置在超构透镜的每个菲涅尔环带的晶格单元之中，解决了大偏折角度需求下，超构表面传统相位匹配单元采样率不足的问题：具体的，该超透镜使用由对偏振不敏感的二聚体纳米天线组元以双曲相剖面的形式构成，其中每个纳米天线组元由直径分别为110 nm和88 nm的单晶硅（c-Si）组成（见图2）。基于这样的结构设计，团队实现了该超透镜最大可达NA=1.28的超大数值孔径，以及超过46%的聚焦效率，并且对任意入射光的偏振态都能保证上述特性（见图2）。而为了匹配光镊应用的溶液环境，该超透镜特意针对在水溶液折射率（n=1.33）环境中进行结构设计，并且最终将整个超透镜阵列嵌在一层二氧化硅保护层内，以实现直接的样品片上系统。
图2 超透镜的结构和性能表征
随后，研究人员基于上述超透镜设计搭建了光镊系统光路，经过光斑尺寸调整的激光束入射至由超透镜直接组装的样品池，并由超透镜聚焦在样品池内形成光镊势阱。团队利用上述超透镜光镊系统在较低入射激光功率（~5mW）下成功捕获样品池内直径约1.76微米的聚苯乙烯微球（见图3），并通过相机成像的方法实时追踪被捕获微球的中心轨迹，测量得到该系统光镊势阱对微球的捕获刚度大于500 pN/(μm·W)（见图3），超过了此前的超透镜光镊系统性能，达到了更接近传统光镊系统的捕获刚度。同时，团队演示了利用倾斜入射到超透镜的激光束，实现了光镊势阱的平移，从而实现了被捕获微球的平移操纵，测得微球横向可操纵的范围超过了2 μm（见图3），证明了该光镊系统在生物分子科学研究中的适用性。且以上性能均对入射光的偏振状态不敏感，即该光镊系统可用于实现任意偏振调制型光镊构型。
由于斜入射激光对捕获刚度存在影响，团队又进一步测量了在不同微球偏移量（即不同斜入射角度）下的捕获刚度变化曲线，实验结果表明了该超透镜光镊系统在捕获微球时存在约±0.25 μm的捕获刚度不敏感区域（见图3），该区域一定程度上可以满足现有单分子生物物理实验中相互作用力精准测量的需求。
图3 超透镜光镊对微球的捕获、平移操纵和捕获刚度测量
4. 应用与展望
研究团队开发的偏振不敏感的透射式超透镜光镊系统，是对超透镜光镊技术的优化方案，通过利用对入射光束偏振无关的、具有大数值孔径和高聚焦效率的超透镜，实现了可比拟传统光镊性能、可兼容传统光镊技术的超透镜光镊系统，为超透镜光镊技术未来用于生物分子科学研究开辟了可行的道路，展现了未来可实现的芯片化、多功能超透镜光镊的巨大潜力。
该研究成果以“Optical trapping and manipulating with a transmissive and polarization-insensitive metalens”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Dongni Yang, Jianchao Zhang, Pengshuai Zhang, Haowen Liang, Jie Ma, Juntao Li, Xuehua Wang，其中Dongni Yang, Jianchao Zhang为共同第一作者，Haowen Liang副教授, Jie Ma教授和Juntao Li教授为共同通讯作者。李俊韬教授团队和马杰教授团队均隶属于中山大学光电材料与技术国家重点实验室。
