Advanced Photonics | 奇妙的光学牵引
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截至目前，诺贝尔物理学奖已经两次颁发给与光力和光操控直接相关的研究：第一次是1997年颁发给朱棣文等人，表彰其在激光冷却和捕获原子方面的开创性研究。第二次是2018年颁发给亚瑟·阿斯金，表彰其发明光镊并推动其在生物研究中应用的开创性工作。
然而，光力给人们带来的惊喜不止这些，近来引起人们广泛关注的光学牵引效应就是光力研究最有代表性的新成果之一。
顾名思义，光学牵引就是利用光场照射物体，从而将被照射物体拉回光源的现象。这一现象在很多科幻小说中都出现过，如图1所示，但却与我们已有的认知相违背。因为一直以来人们都认为光波只能向前推动（如霍金等人在2016年启动的突破摄星计划，如图2所示），而非向后牵引物体。然而物理学家并没有放弃，不断寻找向后牵引的可能性并最终取得了重要突破。
最早理论预言波可以对物体施加后向牵引力的工作是在声波中开展的，随后在光波中也发现了牵引力的存在，但需要用一种特殊的无衍射贝塞尔光束。这一理论预言激起了人们的极大兴趣，并相继提出了多种不同机制来实现这一看似不可能的牵引力。人们通过系统研究发现，实现光学牵引的途径可大致可分为如下四种，如图3所示：
（a）采用特殊光束；
（b）采用具有特殊光学响应的介质；
（c）设置特殊的光与物质相互作用背景；
（d）利用光泳力辅助实现光学牵引。
左：图1 科幻小说中关于光学牵引力的概念。
中：图2 突破摄星计划概念图。
右：图3 实现光学牵引力的四种不同机制。(a) 特殊的结构化光束；(b) 特殊光学介质；(c)特殊背景结构；(d) 光泳力实现光学牵引。
特殊的结构化光束
利用结构化光束能够实现光学牵引，其根本原因在于这些光束中波矢方向和能流方向非共线，例如螺线光束、贝塞尔光束、以及多光束的干涉等情况。光场的动量正比于波矢，当这些特殊光束被物体散射时，有可能使光场动量沿能流方向的分量增加。因此，根据动量守恒定律，物体必将得到一个反方向的动量，即表现为受到了光束的牵引，如图4所示。
图4 利用结构化光束实现光学牵引。(a)螺线光束；(b)贝塞尔光束；(c)干涉光场。
特殊光学介质
利用具有特殊光学响应的介质也能够实现光学牵引。例如当光照射到具有光学增益的介质时，便会产生受激辐射，从而产生很多向前传播的光子。此时物体将会被这些向前传播的光子反冲，形成光学牵引。除了光学增益介质之外，还有手性介质、PT对称介质等也能实现光学牵引，如图5所示。
图5 利用特殊光学介质实现光学牵引。(a)光学增益介质；(b)PT对称介质。
特殊背景结构
利用结构化背景能够实现光学牵引，其原因是这些背景中存在独特的传播模式。比如在两种不同介质（如空气和水）的交界面上，光从一种介质散射进入另一种介质时，其动量会发生变化（单个光子的动量正比于背景的折射率），因此这一散射过程有动量交换，进而形成光学牵引力。利用金属-介质界面的表面等离激元也能实现类似的效果，如图6所示。此外，在多模波导结构中以及光子晶体中也会产生光学牵引。
图6 利用结构化背景实现光学牵引。(a) 空气-水界面；(b)金属-介质交界面。
利用光泳力实现光学牵引
利用光泳力实现光学牵引近年来引起人们的广泛关注。当位于流体背景（比如空气、水等）中的物体吸收入射光场时，物体表面通常会产生温度梯度。此时，背景介质中的微观粒子与物体碰撞就会产生非对称的反冲速度。对物体而言，该现象可等效为受到一个非零的定向力，即光泳力，光泳力的方向可以通过入射光场和物体的吸收性质来调节，如图7所示。该方法实现的牵引力比纯光学散射过程产生的力更大，因此具有很高的潜在应用价值。
图7 利用光热效应实现光学牵引。(a) 矢量偏振光场对空心玻璃球实现牵引；(b) 光纤锥对金纳米盘实现牵引。
总之，牵引光力的研究极大丰富了人们对光与物质相互作用规律的认识，也为新的光操控技术提供了发展机遇。光学牵引过程中的具体情况到底怎样呢？欢迎大家进一步阅读哈尔滨工业大学丁卫强教授课题组和新加坡国立大学仇成伟教授课题组合作在Advanced Photonics上发表的最新综述：Photonic tractor beams: a review。
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