南京大学王慧田团队Optica | 纵向可调谐轨道角动量涡旋光束:微粒操控

轨道角动量涡旋光束因携带螺旋相位与量子化拓扑荷，成为光学操控的核心工具，在生物物理、微机械、量子信息等领域应用广泛。传统涡旋光束（如拉盖尔 - 高斯、贝塞尔光束）存在两大瓶颈：一是拓扑荷增大时光束半径扩张，而完美涡旋光束仅实现横向尺寸不变，仍为 “二维完美”；二是沿传播方向的 OAM 特性固定，拓扑荷与旋转方向无法轴向调控，导致被捕获微粒仅能在横向平面做固定方向、固定转速旋转，无法实现纵向维度的可编程动力学操控。尽管现有研究尝试通过相位调制实现纵向 OAM 演化，但普遍丢失完美涡旋特性、拓扑荷可调范围有限，且无法适配紧聚焦的操控条件。针对这一核心难题，本研究从角谱域理论出发，构建纵向分段可调谐 OAM 的完美涡旋光束，实现单光束多维度、长程可控的光学微粒操控。

团队在角谱域建立 LTOVB 的精确物理模型：将目标光场复振幅与角谱函数构建傅里叶变换对，通过设计随纵向位置 z 变化的拓扑荷 m (z) 相位项 exp [im (z)φ]，实现轴向 OAM 可编程调控；引入纵向波矢 k_z0 (z) 补偿拓扑荷变化带来的径向波矢偏移，严格保证光束主瓣半径不随拓扑荷改变，维持完美涡旋特性。基于 Richards-Wolf 矢量衍射理论，通过 Debye 衍射积分计算紧聚焦场分布，结合轨道角动量密度 J_oz 的定量计算，揭示光场梯度力实现微粒捕获、OAM 传递驱动轨道运动的物理机制。模式纯度分析表明，对称双段、非对称双段、三段调制的 LTOVB 在各轴向分段的目标 OAM 模式纯度均高于 93%，对称双段在 ±7.2μm 处纯度达 99.12%，三段调制在关键位置纯度超 94%，保证了 OAM 传递的精准性与操控的可靠性。

数值模拟系统验证了 LTOVB 的纵向调控特性：恒定 OAM 光束（m=30）沿光轴保持拓扑荷不变；对称双段调制实现 z<0 时 m=-30、z>0 时 m=30，焦平面 OAM 抵消为零；非对称双段实现 z<0 时 m=34、z>0 时 m=-26，焦平面残留净 OAM；三段调制实现 m=-30→30→-30 的轴向连续切换。所有构型下光束横向主瓣半径恒定，完美涡旋特性不受纵向调控影响，为稳定操控提供了理论保障。

实验搭建基于 532nm 连续激光器、纯相位空间光调制器（SLM）、高数值孔径（NA=1.1）物镜的紧聚焦光操控系统，将 LTOVB 聚焦于样品腔，操控 3.2μm 直径聚苯乙烯微球。通过轴向位移相位因子实现光束纵向移位，精准探测不同 z 位置的 OAM 操控效果；预校准全息图焦场功率，保证所有构型下功率恒定（4.4mW），确保操控对比的公平性。实验结果与理论完全吻合：恒定拓扑荷下，微粒旋转频率随 m 从 18 增至 40 线性提升，轨道半径始终不变；对称双段调制下，微粒在 z=7.2μm 处顺时针旋转、z=-7.2μm 处逆时针旋转、z=0μm 处静止捕获，实现旋转方向的轴向切换；非对称双段调制下，z=-7.2μm 与 z=7.2μm 处因拓扑荷绝对值不同呈现差速双向旋转，焦平面因残留 OAM 过小无法驱动运动；三段调制实现沿光轴的 “高速逆时针→顺时针→低速逆时针” 复杂动力学调控，所有分段轨道半径完全一致。

本研究的核心突破体现在三个维度：一是理论创新，首次在角谱域实现完美涡旋光束的纵向 OAM 分段可编程调控，建立兼顾完美涡旋特性与轴向拓扑荷可调的统一理论框架；二是技术突破，在紧聚焦条件下实现单光束多模式微粒操控，将操控维度从横向平面拓展至光轴纵向，解耦轨道半径、旋转速度、旋转方向三个核心参数；三是应用拓展，为微流控芯片的微粒分选与混合、生物大分子的力学特性探测、微纳三维结构的光组装提供全新工具，填补了高自由度光学操控的技术空白。