记者6日从西安光机所了解到，该所与南京大学、香港科技大学、瑞士洛桑联邦理工学院联合完成了一项研究，提出并展示了一种叫“广义超构光学扳手”的新型器件。这项技术为光学微操纵往高维度、多目标协同控制的方向发展，提供了一条新路径。
这个器件的核心原理基于超构表面的光场调控。简单说，它能在三维空间里对极小的微纳物体进行可编程操控。形象一点儿讲，就像用激光造出了一把微型扳手——不仅可以按照预设的路线“抓住”并“旋转”微小物体，还能同时产生多个这样的光扳手，并行搬运不同物体到不同路径上。这项成果推动光学微操纵器件朝着功能复用和芯片集成的方向迈了一步。
现在，光子器件的小型化和片上集成已经成为微纳制造和新一代信息技术的重要发展方向。在光学微操纵领域，构建光扳手是实现微纳粒子输运的关键。但过去要做这样的光扳手，往往需要体积很大的光场调控设备。近年来出现的超构表面光扳手虽然解决了体积问题，但功能复用度低、操控模式单一，很难满足多目标、高维轨迹定制的需求。
针对这些难题，联合团队提出了一个能调控纵向演化和横向阵列分布的“广义光扳手”方案。
在纵向维度上，他们引入“冻结波”理论，在传播轴上构建出具有预设强度和相位梯度的光扳手，让它能随着传播形态变化。在横向维度上，通过叠加特定的偏折相位，构建出光扳手阵列。
在此基础上，团队进一步发展了全复振幅调控技术。通过定制特殊的琼斯矩阵，独立优化纳米柱的长度、宽度和面内旋转角，精确控制正交偏振和同偏振分量的相位延迟及转换效率，最终造出了多功能偏振复用的光操控器件。
这项成果的取得，离不开几家单位长期的合作基础。此前，西安光机所团队就和南京大学团队联合研制了具有横向光力驱动的多自由度“超构载具”。这次联合攻关中，西安光机所再次发挥了在光学微操纵领域的技术积累，不仅为两类超构表面的光场设计提供了重要理论指导，还为器件功能验证搭建了实验平台并开展性能测试。
研究中还引入了一种前期发展的等弧长采样相位设计方法，协同优化了相位梯度和场强梯度力。这相当于让光扳手在“拉住”微粒的同时，也能更平稳地“带着”微粒运动，从而解决了局部强度梯度导致的微粒输运受阻问题。
实验结果显示，这个器件能让任意形状的光扳手同时具备束缚和输运微粒的能力，实现多微粒在面内和面外的稳定并行操控。这有力证实了“广义超构光学扳手”在多目标、高维度轨迹定制方面的出色性能，有望为光学微操纵系统的片上集成提供关键器件。
据悉，西安光机所的姚保利、徐孝浩团队长期从事光场调控与光学微操纵方面的理论和实验研究，一直在推动光镊技术从基础原理走向器件化应用。