复杂结构光场对手性微粒的光操控研究

Chirality is an asymmetry that an object cannot be superposed onto its mirror image, and it abounds in nature and life. The separation and identification of chiral molecules or particles has always been a hot topic in biochemical research and industrial applications. At present, the optical separation and identification of chiral particles mainly use the circularly polarized beams, and most of the manipulated objects are concentrated on spherical particles of submicron magnitude. This project intends to use the vectorial diffraction theory and electromagnetic scattering model to study the optical micro-manipulation of chiral particles of different sizes and shapes in structured light fields with complex polarization and phase distributions. The main contents include: (1) the mechanism study of the interaction between light fields and chiral particles; (2) the analysis of the dynamic characteristics of chiral particles in the structured light fields; (3) the study of efficient optical chiral separation and identification methods. On the one hand, by modulating the polarization and phase degrees of freedom of the light field, the complex structured light fields which produce special effects with chiral particles are developed, exploring the transfer mechanism of angular momentum, revealing the novel optical dynamic characteristics of chiral particles and opening up new ways of optical manipulation; on the other hand, based on the mechanism and characteristics of the interaction between light fields and chiral particles, the efficient optical separation and identification methods of chiral particles are explored, which lays a theoretical foundation for the application of chiral particles in the field of biochemistry.

手性是一种物体不能与其镜像相重合的不对称性，广泛存在于自然界和生命体中，手性分子或微粒的分离和识别一直是生物化学研究和工业应用领域的热点课题。目前手性微粒的光学分离和识别主要采用圆偏振光束，操控的对象大多集中在亚微米量级的球形粒子。本项目拟采用矢量衍射理论和电磁散射模型开展复杂偏振和相位分布的结构光场中不同大小和形状手性微粒的光学微操纵研究，主要内容包括：(1)光场与手性微粒相互作用的机理研究；(2)手性微粒在结构光场中的动力学特性分析；(3)高效的光学手性分离识别方法研究。一方面，通过调控光场的偏振和相位自由度，发展与手性微粒作用产生特殊效应的复杂结构光场，探索其中角动量的转移机制，揭示手性微粒的新颖光学动力学特性，开辟新型的光操控途径；另一方面，基于光场与手性微粒相互作用的机理和特性，探索高效的光学手性微粒分离识别方法，为手性微粒在生物化学领域的应用打下理论基础。

手性是一种物体不能与其镜像重合的不对称性，广泛存在于自然界和生命体中，手性分子或微粒的分离和识别一直是生物化学研究和工业应用领域的热点课题。针对当前手性微粒的光学分离和识别主要采用圆偏振光束，本项目开展了复杂偏振和相位分布的结构光场中手性微粒的光学微操纵研究。研究了光场的偏振特性对手性微粒光操控的影响，发现紧聚焦方位角偏振光场可驱动左右手对映体绕相反的方向轨道旋转，可实现手性微粒的对映选择性旋转；研究了光学轨道角动量在手性光-物质相互作用中的影响，发现紧聚焦角向偏振涡旋光场可分别捕获左右手对映体于最大光强圆环的内外侧，可实现左右手对映体的有效分离和同时识别；为实现高效的光学手性分离识别，提出了一种产生可控纳米手性光场的方法，利用4Pi聚焦系统并设计多相掩模板调控相位，产生了同时携带两种手性的多光斑手性光场。本研究为对映选择性分离、手性传感以及手性微粒光操纵的应用打下了良好的理论基础。项目执行期间，发表SCI论文8篇，特邀综述论文1篇，2篇论文入选期刊封面；参加学术交流5人次；协助培养博士生3名，硕士生2名；负责人获“中国科学院优秀博士学位论文”以及中国科学院“西部之光”西部青年学者A类人才计划。