广义光学扳手赋能任意光路，实现多任务光学操控！

您是否曾希望驱动微观物质沿着任意定制的轨迹运动，而不仅仅是一个圆圈？这正是我们努力实现的目标。

光子力操控领域为用光控制微观世界开辟了新途径。自1986年光镊发明以来，利用光的动量和角动量对微观粒子进行非接触式捕获与操控，已成为生物物理学、软物质科学和微纳技术中不可或缺的工具——这一贡献也得到了2018年诺贝尔物理学奖的认可。

传统光镊依赖高斯光束的强度梯度来产生三维恢复势阱，从而稳定捕获粒子。

携带轨道角动量的拉盖尔-高斯光束进一步引入了旋转自由度：其螺旋相位波前和中心强度零点使得坡印亭矢量沿方位角方向螺旋传播，从而对粒子施加光学扭矩。基于此原理的光学扳手已在光学传感和微流控等领域找到了独特应用。

然而，面对日益增长的并行化和多功能操控需求，传统光学扳手存在根本性的局限性。一方面，由均匀方位角相位梯度产生的光学涡旋本质上是圆对称的，难以按需定制粒子轨迹。

另一方面，单个光学元件（如螺旋相位板）通常只支持一种操控模式，阻碍了其执行多任务操作的能力。

超表面技术的兴起为光学操控器件的小型化和多功能化开辟了新途径，但此前展示的基于超表面的光学扳手仍受限于同样的圆对称性，因而无法实现定制化的粒子轨迹——导致功能和形貌上的多样性不足。

为了应对这些挑战，团队开发了一类新型微纳光子器件，称为"广义光学超构扳手"。这项工作通过在全超表面上采用复振幅调制，克服了传统光学涡旋的几何限制，首次展示了具有多边形轨迹的光学扳手。该研究成果发表于《科学进展》期刊。

图1.广义光学超构扳手的概念和示意图

香港科技大学的青年物理学家Tianyue Li表示："我们非常兴奋地看到粒子沿着用户定义的、具有纵向变化和面内阵列的光学环路运动，这在以前很难用传统且尺寸超紧凑的甜甜圈形扳手实现。"

通过进一步集成偏振复用和传播变化光束整形技术，该团队实现了一个既能进行纵向光场演化又能进行横向阵列并行控制的多任务操控平台。

这些成果为诸如涨落定理和软物质物理等基础研究领域，以及片上集成光学操控和自组装研究等应用提供了新的技术途径。