涡旋现象在自然界广泛存在，有时也会带来严重的自然灾害，例如台风、龙卷风和水灾中的漩涡等。这是因为涡旋具有强大的角动量，但利用好了这种力量，也能成为有益的工具，例如涡旋光镊。

光镊 (Optical tweezers)，简单地说，是一种利用高度聚焦的激光束，像镊子一样夹持和移动原子、纳米颗粒或液滴等微观和亚微观物体的科学仪器。光镊技术由美国科学家阿瑟·阿什金 (Arthur Ashkin) 于1986年发明，并获得2018年诺贝尔物理学奖。

传统光镊使用的是普通高斯光束，主要用于夹持和移动粒子，而涡旋光镊使用的是涡旋光束，携带轨道角动量 (OAM)，不仅能像传统光镊一样“抓住”粒子，还能“扭转”它们，就像是一个“光学扳手”。这种“光学扳手”可用于驱动微观转子、操纵细胞器旋转等，广泛应用于生命科学、软物质物理和微纳操控等领域，特别适合研究粒子的力学性质和旋转行为。

从漩涡到涡旋光镊

图1：漩涡可以让物体沿着旋转方向移动。(来源：网络)

想要理解涡旋光束对粒子的作用，首先我们讨论一下漩涡。漩涡的形成通常涉及三个关键因素：流体运动状态、剪切速度分布和压力梯度。

• 流体运动：漩涡的形成始于水体整体向中心流动（如图1 所示），这一流动带动水面漂浮的橡皮鸭随水移动。

• 剪切力：由于靠近中心的水流速度更快，而边缘更慢，水体中会存在明显的速度梯度。这种速度差形成剪切力，促使水体产生旋转流动。由于橡皮鸭绕旋涡中心转动，因此获得了轨道角动量。

• 压力差：旋转流动导致中心形成低压区，周围形成高压区，产生向内的压力梯度。由于水总是向低压处流动，橡皮鸭也被吸向漩涡中心。

简单来说，图 1 中的橡皮鸭受到三种典型的流体力学作用：水流推动它、压力拉拽它、剪切力让它旋转。

图2：漩涡环境中橡皮鸭的受力分析。(来源：AI制图)

一旦橡皮鸭开始绕漩涡中心公转，它就获得了属于自身的轨道角动量：

其中 L 表示橡皮鸭的角动量，m 表示橡皮鸭的质量，v 表示橡皮鸭绕漩涡中心公转的速度，r 表示旋转半径。

类似漩涡中的橡皮鸭，涡旋光镊中的粒子也受到三种光力的影响：

• 梯度力(Gradient Force)：因光强梯度力不均匀而产生的力，可以类比漩涡中的压力梯度；

• 散射力(Scattering Force)：因光束直射而产生的辐射压力，可以类比漩涡中的水流方向；

• 光扭矩(Optical Torque)：由涡旋光束携带的轨道角动量所产生的力矩，类似漩涡中的剪切力。

光镊是依靠光的梯度力形成的，当焦点附近的梯度力大于散射力时才能形成一个稳定的三维光学势阱，从而稳定地捕获粒子。这一稳定的三维光学势阱是由一束激光通过一个短焦距透镜汇聚来实现的，如图3(a) 所示。当粒子的折射率大于介质折射率时，梯度力将大于散射力，粒子便会被捕获至光强梯度力较小的平衡位置，即焦点，如图 3(b) 所示[1]。

在普通光镊中，捕获粒子只受梯度力和散射力的影响。而在涡旋光镊中，当纵向的梯度力和散射力相对平衡时，光扭矩便会使粒子开始旋转。

图 3：(a) 强聚焦激光束产生的光镊，用于捕获物体；(b) 施加于焦点周围胶体粒子上的光力，普通光镊只有梯度力和辐射压力[2]。

当携带非零角动量的光束撞击粒子时，其角动量可以转移到粒子上，从而使粒子旋转。如果粒子不在光束中心，自旋角动量(SAM) 将导致粒子绕其自身中心旋转，即粒子自旋；而轨道角动量 (OAM) 将使粒子绕光束轴旋转，如图 4 所示。

图4：自旋角动量和轨道角动量影响粒子自转和公转。(来源：Wikipedia)

光镊的广泛应用

20 世纪 80 年代末，阿瑟·阿什金 (Arthur Ashkin) 等首次展示了光镊技术在生物科学中的应用，利用它来捕获单个烟草花叶病毒和大肠杆菌[3]。目前，光镊技术已广泛应用于生物医学领域。

图5：Arthur Ashkin (右) 和 Joseph Dziedzic (左) 正在演示如何利用光镊捕获和操控微生物。

在量子科学领域，光镊用于在真空中精确捕获和排列激光冷却原子，是构建中性原子量子比特阵列的关键技术平台。其主要有以下成就：

• 2001 年捕获单个原子

• 2002 年捕获二维原子阵列

• 2010 年捕获强相互作用纠缠对

• 2016 年捕获精确组装的二维原子阵列

• 2018 年捕获三维阵列

• 2021 年实现可编程的256 个原子阵列

2024 年，加州理工大学 Manual Endres 团队在原子阵列平台中制备了 6100 个量子比特，这项工作是由12000 个光镊做到的[4]。

图6：通过光镊阵列可以将原子排列成我们想要的图案，图中为超级马里奥[5]。

从理论走向实验：涡旋光镊系统

理解了涡旋光镊的原理，很多人自然会问：我们能否亲眼看到这一过程？答案是肯定的。 

九章量子基于光镊核心原理开发了涡旋光镊实验系统，相比普通光镊，涡旋光镊能够提供额外的轨道角动量，不仅可以操控粒子的平移，还能实现对微粒的精确旋转控制，适用于研究更复杂的光与物质相互作用过程。

用户可以在一套设备中，完整体验“从夹住到拧动”的全过程，清晰观察光力如何使微观粒子稳定捕获、再逐步开始旋转。无论是教学演示、科研验证，还是兴趣激发，这一系统都为探索光与微观物质相互作用提供了直观的平台。

图 7：涡旋光镊系统。(来源：九章量子) 

图8 显示了涡旋光镊系统光路示意图。系统通过调控激光光束的偏振态与相位结构，生成具有轨道角动量 (OAM) 的涡旋光束，并借助透镜与高数值孔径物镜将其聚焦，实现对微小颗粒的光学捕获与操控。其核心过程包括：

光源控制与扩束整形：
532 nm固体激光器 (2) 由激光器电源 (1) 供电，输出稳定激光。激光经反射镜 (3, 6) 反射后，再经过扩束透镜组(4, 5) 扩展至约 6 mm 的平行光束。

偏振与相位调控：
激光依次通过线偏振片(7)、四分之一波片 (8) 和涡旋波片 (9)，使光的偏振态从线偏振→ 圆偏振 → 涡旋光束。涡旋光的拓扑荷数 (角量子数) l 可通过旋转四分之一波片控制符号 (正或负)。

缩束与聚焦：
缩束透镜组(10, 11) 将光束缩小至适配物镜 (15) 孔径的大小，再经反射镜(12, 14) 和二向色镜 (13) 反射后，进入高倍物镜 (15) 聚焦。

微粒操控与观察：
聚焦后的涡旋光束在样品区(17) 形成强梯度光场，实现对微粒的非接触式捕获和操控。样品安装在载物台 (17) 上，并通过三轴位移台 (16) 实现精确调节。

成像与观测系统：
LED 光源 (19) 通过整形透镜 (18) 聚焦后照明样品。然后携带样品信息的LED光源经物镜透射、反射镜反射和二向色镜透射后，先通过消色差透镜(20) 调节视场与亮度，再由滤光片 (21) 滤除残余激光，最终由彩色工业相机 (22) 采集图像，实现操控过程的实时清晰成像。

图 8：涡旋光镊系统光路示意图。(来源：九章量子)

图 9：二氧化硅微粒在涡旋光的作用下旋转。(来源：九章量子)

涡旋光镊系统搭配涡旋光束干涉系统使用，能够更加全面地展示涡旋光的性质与应用场景，让学生在动手实验中建立更完整的认知体系。欢迎各类教学与科研单位联系咨询，共同推动涡旋光相关实验在教学与科研中的深入应用。

参考文献：

[1] 朱刘昊.光学涡旋阵列的精细调控及其在光镊中的应用[D].河南科技大学,2022.

[2] Grier D G. A revolution in optical manipulation[J]. nature, 2003, 424(6950): 810-816.

[3] Ashkin A, Dziedzic J M. Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria[J]. Science, 1987, 235(4795): 1517-1520.

[4] Manetsch H J, et al. A tweezer array with 6100 highly coherent atomic qubits[J]. arXiv preprint arXiv:2403.12021, 2024.

[5] Ebadi S, Wang T T, Levine H, et al. Quantum phases of matter on a 256-atom programmable quantum simulator[J]. Nature, 2021, 595(7866): 227-232.