使用大直径高斯和涡旋光束的低功率光镊，用于荧光染料介质中巨型气泡的捕获与旋转

轻柔抓取巨型气泡的光

想象一下，仅用一束微弱的光就能在一杯有色水中抓住并旋转气泡，而无需任何接触。该研究展示了物理学家如何在发光染料溶液中使用极低功率的激光捕获并旋转异常大的气泡。该工作指向了一种节能的方式来操纵液体中的气泡和微小物体，未来可能有助于微尺度化学、医学诊断和芯片化实验室（lab-on-a-chip）设备的发展。

从光学镊子到气泡控制

几十年来，“光学镊子”利用强聚焦的激光束来抓取和移动微观物体，从塑料微球到活细胞。传统装置通常使用仅几微米宽的小光斑并且常常需要较高功率，这对敏感样品或大尺度结构并不理想。气泡尤其棘手：它们含有气体、会以不同于水的方式折射光，并且往往被简单的光学力推离光束。然而，气泡是有价值的工具，因为它们将光、热和流体运动联系起来，能够在微流体装置中充当微型泵或操控柄。

用温和的光制造大气泡

研究人员在一个薄样品腔中注入了含有对近红外光强烈吸收的荧光染料的蒸馏水。当785纳米激光束照射染料时，染料分子使周围液体升温。这种局部加热导致水沸腾或过热，形成发出染料荧光的蒸汽气泡。与大多数光学镊子不同，团队刻意使用了非常宽的光束——光斑直径达数百微米——从而使气泡能够长到与光束本身可比的尺寸，在仅需几毫瓦功率的情况下，其直径仍可超过十分之一毫米。

热力如何将光变成气泡陷阱

乍看之下，光应该把这些气泡从光束中推开而不是将其固定在原地，因为气体的折射率低于水。关键在于由热引起的表面力，而不是简单的光子推力。随着染料吸收光能，它在气泡周围建立起温度梯度：接近光束中心更热、远处更冷。气泡表面的表面张力依赖于温度，因此这些梯度会产生所谓的Marangoni流——沿气泡表面及周围液体的微小流动。这些流把气泡拉向最热的区域，有效地将其钉在激光焦点处。测量表明，这种热驱动的力明显胜过本将把气泡排斥出去的常规光学力。

塑形光以移动与旋转气泡

研究团队比较了两种光束。普通的高斯光束将光聚焦成一个明亮的点，而涡旋光束则形成一个甜甜圈状的环并携带轨道角动量，常被描述为光波前的扭转。即便在大直径光束下，两种类型都能捕获并沿视野横向拖动气泡。值得注意的是，涡旋光束所需的功率甚至低于高斯光束，这归功于其环形强度分布在气泡边缘形成更陡的温度差。通过精确校准平移台的运动，研究人员演示了在参考点移动时气泡仍被稳固地捕获，确认了对约120微米大小气泡的可靠控制。

用偏振作为气泡的方向盘

为了超越简单的捕获，实验者在涡旋光束中加入了第二个偏振片以重塑光束。这产生了在光环内部呈十字形的亮暗区域。当他们旋转偏振片时，亮的十字图案也随之旋转。由于加热遵循该图案，气泡周围的温度在角度上变得不均匀，产生了施加转矩的表面流。因此，被捕获的气泡随旋转的光图案同步旋转，其自转速度直接取决于偏振片转动的速度。团队展示了顺时针和逆时针旋转的气泡（直径约176微米），并以附着的染料颗粒作为可见标记。

这一点为何对未来微型机器重要

该研究通过展示可以用低功率、宽光束捕获、平移甚至旋转大气泡，扩展了光学镊子的功能，同时降低了能耗并简化了光学系统。研究人员无需依赖强烈、紧密聚焦的光斑，可以用温和、延展的光场来塑造温度与流动。对气泡运动的这种控制可能成为微流体电路、气泡驱动的微型机器人以及依赖空化的可控化学反应中的有价值组成部分。简单地说，这项研究把柔软且发光的气泡变成了微小液体世界中由光驱动的精确工具。

引用: Buathong, S., Phetdeang, C., Srisuphaphon, S. et al. Low-power optical tweezers using large-diameter Gaussian and vortex beams for giant bubble trapping and rotation in fluorescent dye media. Sci Rep 16, 8781 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39847-z

关键词: 光学镊子, 微气泡, 光热操控, 涡旋光束, 微流体学