基于超透镜的片上光镊

光镊是一种借助激光束操纵微小粒子的技术，如果能将这一技术集成到芯片上，这一技术将发挥出巨大作用。但是光镊中所用到的聚焦光线的透镜，却是光镊小型化的一大阻碍。

美国两所大学的研究人员们利用超材料技术发明了一种超薄介电超透镜，这种超透镜可提供高数值孔径，以产生能操纵微小粒子的光束（文章见：Optica, doi:10.1364/Optica.438410）。该团队成功使用这种透镜悬浮起了真空环境中的纳米粒子，并实现了其在两个光镊之间移动。

图1 美国的一个研究小组借助图中的超透镜，发明了一种片上光镊，能够用光学手段悬浮起真空中的纳米颗粒；这种超透镜的直径约比传统物镜直径小50倍

硅纳米柱

超表面和超材料由一些精心设计的结构组成，这些结构可以控制在其中传输的光线特性。由超材料制成、液体填充的透镜已被用于光阱中，但某些应用需要在空气或真空环境中实现。

在美国普渡大学物理学家Tongcang Li和美国宾夕法尼亚州立大学工程师Xingjie Ni的带领下，一个研究小组设计了直径425微米、焦距100微米的透镜。为了制造出这一超透镜，研究人员们在蓝宝石衬底上沉积了500纳米厚的无定形硅层，并用电子束光刻蚀刻出纳米柱的图案；最终所形成的500纳米厚的硅纳米柱结构，在高真空、1064纳米波长激光照射条件下，达到的数值孔径为0.9。

1064纳米波长的激光经过超透镜聚焦，实现了对直径为170纳米的纳米颗粒悬浮。同时，研究小组使用波长532纳米激光的散射光照亮光学阱，以进行成像。

图2 超透镜在真空中用光学手段悬浮纳米粒子的原理图；超透镜将激光束聚焦形成基于芯片的光镊

纳米“乒乓球”

在研究人员用单个超透镜光阱实现了悬浮之后，他们进一步使用两个光镊来回推动纳米粒子，其中一个光镊用超透镜实现，另一个用传统物镜实现。粒子在两个距离约1.5微米的势阱之间跳跃，运动取决于哪个光镊的激光功率先降至接近零。

Li指出，光镊实验中所使用的传统物镜约为25毫米宽、50毫米长，比超透镜的厚度要高出5个数量级。

Li和Ni说，这是首次借助基于超薄超透镜的光镊实现纳米粒子在真空中的悬浮。该团队面临的最大挑战是如何同时实现最优的数值光圈和最优的聚焦效率。“我们反复设计了许多次、制作了多个超透镜，最终选出了最适合在真空中实现光学悬浮的透镜。”Li说。

基于此项研究，研究小组下一步将重点关注光镊聚焦效率的进一步提高。Li教授说，超透镜光镊不仅可以用于无机粒子，还可以用于细胞、细胞器和生物分子等有机分子。