近日，南開大學(xué)許東野教授團(tuán)隊在結(jié)構(gòu)光場調(diào)控領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，其關(guān)于螺旋錐形光束（Helico-ConicalBeams,HCBs）生成與重構(gòu)的研究成果發(fā)表于國際光學(xué)權(quán)威期刊《ChineseOpticsLetters》。這項突破通過創(chuàng)新的光學(xué)干涉技術(shù)，實現(xiàn)了復(fù)雜光場的精準(zhǔn)操控，為微納粒子操縱、納米制造等前沿領(lǐng)域提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

    一、螺旋錐形光束的基礎(chǔ)理論與獨特屬性
    自2005年首次報道以來，螺旋錐形光束因其獨特的相位耦合特性在結(jié)構(gòu)光場領(lǐng)域備受關(guān)注。該光束由螺旋相位與錐形相位函數(shù)的乘積生成，其相位分布可表示為：

    其中，(r,θ)為極坐標(biāo)，l為拓?fù)浜?，r_0為徑向歸一化因子，K為常數(shù)（取0或1）。與拉蓋爾-高斯光束、貝塞爾-高斯光束等傳統(tǒng)渦旋光束不同，螺旋錐形光束的徑向相位分量Φr(r)與角向相位分量Φa(θ)不可分離，這種耦合特性賦予其獨特的手性傳播動力學(xué)與光場分布特征——當(dāng)K=1時，焦平面呈現(xiàn)完整螺旋強(qiáng)度圖案；當(dāng)K=0時，則形成截斷螺旋結(jié)構(gòu)。其不可分離的相位特性使其在粒子捕獲、納米結(jié)構(gòu)加工等需要多維光場調(diào)控的場景中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。

    二、核心技術(shù)突破：用干涉"編織"復(fù)雜光場圖案?
    研究團(tuán)隊的關(guān)鍵創(chuàng)新在于開發(fā)了基于復(fù)振幅調(diào)制的光學(xué)干涉技術(shù)，能夠在螺旋軌跡上"編織"出精細(xì)的干涉條紋。通過疊加不同"拓?fù)浜?quot;（描述光場螺旋特性的參數(shù)）的光束，可精確控制條紋數(shù)量與形態(tài)：?
    當(dāng)兩種同符號拓?fù)浜晒馐缮鏁r，會因相位梯度同向出現(xiàn)"斷裂點"，形成較模糊的條紋；?
    而反符號拓?fù)浜晒馐缮鏁r，相位梯度反向作用會生成更清晰精細(xì)的條紋，如同用兩股相反方向的力量擰出更緊密的"光繩"。?
    進(jìn)一步通過調(diào)制相位函數(shù)，團(tuán)隊實現(xiàn)了三種創(chuàng)新性光場重構(gòu)模式：?
    指數(shù)收縮模式：讓螺旋開口逐漸閉合，最終轉(zhuǎn)化為環(huán)狀光場；?
    正弦對稱模式：生成對稱收縮的"C"型等特殊軌跡；?
    啁啾振蕩模式：在螺旋軌跡上創(chuàng)造折疊分段結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)復(fù)雜曲線的自由設(shè)計。?
    實驗中，團(tuán)隊利用空間光調(diào)制器等設(shè)備，成功生成了"龍卷風(fēng)""海浪""蝴蝶"等復(fù)雜光場圖案，展現(xiàn)了該技術(shù)在光場形態(tài)設(shè)計上的強(qiáng)大靈活性。?

    三、從實驗室到應(yīng)用：開啟微納技術(shù)新維度?
    這項技術(shù)的突破為多個關(guān)鍵領(lǐng)域帶來了實際應(yīng)用前景：?
    生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：可定制化設(shè)計光場陷阱，像"光鑷子"一樣精準(zhǔn)捕獲和輸運單個細(xì)胞或納米顆粒，為細(xì)胞操作、藥物載體定向輸送提供全新工具；?
    納米制造領(lǐng)域：利用螺旋軌跡的精細(xì)條紋，能在材料表面刻寫出微米級甚至納米級的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，推動超表面、光子芯片等精密器件的制造；?
    精密測量領(lǐng)域：基于其獨特的手性傳播特性，可開發(fā)高靈敏度傳感器，用于微尺度旋轉(zhuǎn)角度、材料折射率等參數(shù)的高精度測量。?

    四、研究意義：搭建基礎(chǔ)光學(xué)與工程應(yīng)用的橋梁?
    許東野團(tuán)隊的研究不僅深化了對復(fù)雜光場物理機(jī)制的理解，更重要的是建立了從理論設(shè)計到實際應(yīng)用的完整技術(shù)鏈條。通過將數(shù)學(xué)上的相位調(diào)控理論轉(zhuǎn)化為可操作的光學(xué)實驗方法，該成果展現(xiàn)了基礎(chǔ)研究向工程技術(shù)轉(zhuǎn)化的可能性。?
    隨著后續(xù)對光場與物質(zhì)相互作用的深入研究，螺旋錐形光束的可重構(gòu)技術(shù)有望成為微納制造、生物檢測、量子信息等領(lǐng)域的共性關(guān)鍵技術(shù)，推動光學(xué)工程與生命科學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科的交叉融合，為下一代精密測量與操控技術(shù)奠定重要基礎(chǔ)。

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    目前，相關(guān)研究成果已發(fā)表于《ChineseOpticsLetters》2024年第22卷第9期，引發(fā)國際光學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。南開大學(xué)團(tuán)隊表示，將繼續(xù)探索結(jié)構(gòu)光場在更多實際場景中的應(yīng)用潛力，推動科研成果向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。