这是一个直径只有 4 微米的小球，它能悬停在光学芯片上方[1]。
悬停？凭什么？凭借反冲力。
（来源：Optica）
其原理和借助水流，能在水上悬浮的小球是一个道理。
图 | 水流将球悬浮在空中（来源：imgur）
这是MIT博士后、之江实验室光子集成与互连课题组负责人虞绍良的近期成果：一种新型的光子芯片。
近日，相关论文以《基于微型自由曲面的片上光镊》（On-chip optical tweezers based on free-form optics）为题，发表在 Optica 上。
新型芯片上光镊方案
虞绍良表示，该论文主要提出一种新型的芯片上光镊方案。顾名思义，光镊就如同镊子，可用于抓取物体。
图 | 虞绍良（来源：虞绍良）
在日常生活中，遇到尺寸比较大的物体，用机械方法即可实现抓取。但对于微纳尺度物体，比如直径只有头发百分之一甚至更小的物体，则无法使用机械方法。
这时就需要另辟蹊径，1970 年，美国物理学家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）提出用光来抓取微小物体的方法。
借助水流，乒乓球可以悬浮起来，其原理在于反冲力。同样的，当一束光照射在物体上，也能产生反冲力。不同于气流和水流，通过精准控制光束方向、以及强度分布，即可在微纳尺度上精准控制光力的大小和方向，借此来操控微小物体，这一过程就叫光镊。
从光镊首次提出至今已有 50 年，尽管该领域已经涌现出不少成果。但是，光镊此前要依赖显微镜系统来产生光力，设备比较庞大，操作也不方便。因此，科学家萌生了在芯片上做光镊的想法。
但在当前的片上光镊方案中，还只能将微小物体吸附在芯片表面，并没有实现真正的悬浮。针对这一问题，虞绍良提出一款新型片上光镊方案，不仅能在芯片上操控光力，将一个微小物体悬浮在芯片上。
一场 “闲聊”，促进 MIT 和哈佛的强强联合
在麻省理工学院（MIT）做博后期间，虞绍良的主要研究课题开发新型的光芯片接口，来解决光在不同芯片之间的高效连接问题，以降低数据中心的功率消耗。
他尝试了很多方法，最终提出这样一种兼具连接损耗低、工作波长非常宽的方案。最重要的是基于该方案，很轻易地就能在芯片上对光进行操控，比如控制光束的传播方向和强度分布等。
（来源：Optica）
这意味着，这是一种比较通用的芯片上光场操控方法。这也让他们很快意识到，可用此来解决芯片上光镊不能实现真正悬浮的难题。
随后，虞绍良做了大量的仿真计算工作，发现在光镊领域该方案确实具备明显优势。从 2018 年起，在研究光互连芯片接口方法的同时，他开展了片上光镊的研究工作。
在研究过程中，一次偶然的交流，让他发现哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院费德里科 · 卡帕索（Federico Capasso）教授课题组也在研究片上光镊。
相互沟通之后，双方一拍即合，随即开始合作。期间，虞绍良等人负责芯片设计和制作，哈佛团队的卢锦胜负责芯片测试。
经历将近两年的反复实验和测试，终于第一次观察预期实验结果，即把一个直径只有 4 微米的小球悬停在光学芯片上方，解决了此前光镊芯片只能将小球吸附在芯片表面的难题，实现了真正的片上三维捕获，对光镊领域的研究，有着重要的意义。此外，通过这种方式，他们还对微纳尺度下的光场、力学特性等进行了一系列分析。
虞绍良的研究表明，得益于多个独特性能，微型自由曲面这个结构非常适合片上光镊。
首先，这种方案能够将光镊的捕获位置设计在芯片上方三维区域内的任意位置，并轻松调节光力势阱深度。其次，微型自由曲面能与集成光芯片无缝集成，通过光芯片上的功能器件，就可以对光镊进行多功能动态调整。
此外，相比于用衍射光栅、表面等离激元和超表面等结构实现的片上光镊，自由曲面对光的反射或折射效率非常高，聚焦效率能高达95%，并能在多个波长下工作。这让光镊只需要很弱的光就可以捕获物体，并能用于操控量子态和激发荧光。
最后，芯片上自由曲面不仅可以聚焦光，还可以收集光，通过对反射回芯片的光强进行检测，能对被捕获物体的位置进行精确的实时测量。
他们设计的光镊芯片的关键元件，是将比头发丝直径还小的自由曲面反射镜，打印到微米量级的片上光波导端面，通过全反射将光聚焦到芯片上方。
（来源：Optica）
具体来说，他们使用了两个椭球反射镜，将从两个波导输出的对向传播光束聚焦到同一点。聚焦光束以一定角度相交，以类似于暗场物镜的方式产生用于粒子捕获的三维梯度光场。
（来源： Optica ）
椭球反射器的设计过程中，让一个焦点与波导端面重合，另一个焦点与捕获位置重合。沿着波导的方向稍微移动椭圆形反射镜，可以将光束进行更好的聚焦，这样就可以设计出性能优异的光镊了。
研究中，他们还展示了透射式的微透镜在片上光镊中的应用。透射式光镊由两个笛卡尔卵形线型微透镜组成。将波导光束视为点光源，基于费马定理，在点状源和目标焦斑位置之间寻找恒定光程就可以确定透镜的形状。两个微透镜分别安装在两个彼此对射的波导的端面上，这时从波导出射的光束会被微透镜聚焦到同一点以形成捕获光场。
通过改变微透镜的焦距就可以很容易地控制捕获光场的形状：短焦距的光束能形成很紧凑的聚焦光场，而长焦距的微透镜则能将捕获光场在轴向进行拉伸。
图 | 折射微光学镊子表征（来源：Optica）
研究遭遇瓶颈期，诺奖得主 “来提气”
据虞绍良介绍，作为一种新型光镊芯片方案，它在生化传感、单细胞分析、微尺度动力学分析等领域具备一定潜在应用前景。比如，采用该方法，可以捕获悬停单个细胞，从而对单个细胞开展研究。
同时，还可利用捕获的物体，开展精密测量研究。在论文中，他们利用所设计的芯片去测量了皮牛量级的力。重力只有 10-12N，大约是一千克物体重力的 10-13。
该研究开始于 2018 年年初，尽管研究过程并非一帆风水，但在当年 10 月，就在虞绍良的研究进入瓶颈期时，前文提到的光镊的发明人、美国物理学家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin），以 96 岁高龄获得诺贝尔物理学奖，这给困顿中的他带来了莫大的鼓励。
虞绍良今年 31 岁，生于安徽省安庆市望江县长岭镇。2012 年本科毕业于华中科技大学物理学院。
本科期间，他曾参加教育部主办的首届全国大学生物理实验竞赛，并夺得三等奖 1 项。
本科毕业后，他来到浙江大学光电学院读直博，博士毕业后来到 MIT 从事博士后研究，博后期间师从 MIT 华人教授 Juejun Hu。还在做博后研究时，他就曾来到国内大学做报告。
今年 6 月，他回到国内并加入之江实验室，目前已经组建课题组，并在面向光计算、光互连等领域开展集成光子学相关研究。他表示，自己也会继续光镊芯片的研究，争取推出更佳的方案。
之所以选择回国，是因近些年来，他看到国内越来越重视基础科学研究，整体投入也越来越大。国内很多单位也已搭建出非常好的科研平台， 为广大科研人员提供了广阔的舞台。
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参考：
[1]. Shaoliang Yu, Jinsheng Lu.et al.Optica 3，409-414（2021）