紧聚焦椭圆偏振光的自旋-轨道角动量耦合的实验验证

让微小物体旋转的光

想象能用一束光抓住一个微米级的小球并让它在微小的圆周上旋转，而无需接触它。本研究展示了一种特殊的激光光束——其偏振态描绘为椭圆——不仅可以捕获微小颗粒，还能通过将光的一种角动量形式转换为另一种，使颗粒进入平稳且可控的轨道运动。

光的两种“扭转”

光可以以两种主要方式携带角动量。一种与偏振有关——即电场摆动的方向——称为自旋角动量。另一种与光波前在空间中如何盘绕有关，像螺旋一样，被称为轨道角动量。在许多日常情形下，这两种扭转是分离且各自守恒的。然而，当束流被高数值孔径显微物镜极度聚焦时，它们可以相互作用，使自旋转化为轨道扭转。到目前为止，这种效应在纯圆偏振或线偏振的情况下已被充分研究，但对于处于两者之间的更一般的椭圆偏振情形，人们知之甚少。

塑造椭圆光束的焦点

作者首先用详尽的数值模拟预测了椭圆偏振高斯激光束经高数值孔径物镜强聚焦时的行为。他们发现，在焦点处，沿光束方向的电场分量会形成一个环状强度分布，并带有绕行一周的涡旋相位。简单来说，尽管入射光原本只携带自旋，该束在焦点处获得了与轨道角动量相关的螺旋结构。通过调节沿两条互相垂直方向的偏振比例（即改变椭圆率）以及它们之间的相位延迟，研究者证明了该涡旋的形状与平滑度可以被控制，并且当椭圆偏振的手性翻转时，涡旋的方向也会随之反转。

构建一个基于光的转盘

为检验这些预测，团队构建了一个光学镊子装置，使用绿光激光、偏振光学元件以及浸油的高功率显微物镜。激光束首先被线偏振化，然后通过一个可调的四分之一波片以产生可调的椭圆偏振，再被紧密聚焦到含有微小玻璃颗粒的水中。摄像机从下方观察焦区，以记录被捕获颗粒的轨迹。通过仔细调节波片和光束功率，形成了一个稳定的“光阱”，颗粒可以被捕获并在其中运动观察。

在光环中绕行的颗粒

当一个形状不规则的玻璃微粒被右手椭圆偏振束捕获时，它自发地开始沿焦点周围做圆形轨道运动。将光切换为左手椭圆偏振会使轨道方向反转，尽管这些颗粒本身为非双折射玻璃，无法被自旋角动量直接驱动旋转。对近乎完美的球形二氧化硅微球也观察到了类似行为，从而排除了由形状引起的光学效应。实验中观测到的轨道路径及其非均匀速度与聚焦光束中的强度、相位和力矩的模拟模式相一致，证实了部分自旋确实被转换为轨道角动量，进而驱动了颗粒的运动。

这些微小轨道的重要性

这项工作在理论和实验上都证明了：紧聚焦的椭圆偏振光能够可靠地将其内部自旋转换为轨道扭转，并利用该扭转将微小颗粒沿圆形轨道引导。对于非专业的观察者来说，这意味着研究者只需选择光偏振的旋转方式，就能决定被困颗粒顺时针或逆时针绕行以及驱动强度。如此细致可调的光学控制为在微流体器件中移动和旋转物体、研究远离平衡态的物理体系以及探测单个分子与细胞的力学行为开辟了新工具——这一切都由光直接驱动，使微观世界真正地“转起来”。

引用: Liu, Y., Wu, Y. & Tao, S. Experimental verification of SAM-OAM coupling of tightly focused elliptically polarized light. Sci Rep 16, 10170 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41201-2

关键词: 光学镊子, 椭圆偏振光, 光的角动量, 光学微操控, 涡旋光束