光学超构表面凭借其小型化集成化的优势和对光场出色的调控能力，近年来已被深入应用于光学微操控技术研究，这标志着该交叉领域进入了新的发展阶段。特别地，由于超构表面的尺寸在亚波长级别，具有被光场驱动从而产生机械运动的潜力，这一特性为新一代光驱动的人工微机器人提供了重要的理论基础和技术支撑。
据麦姆斯咨询报道，由中国科学院西安光学精密机械研究所、中国科学院大学、南京大学和浙江大学组成的科研团队依次从光学微操控的基本原理和超表面的相位机制出发，详细回顾了基于超构表面的多种微操控器件，包括超构表面光镊、多功能微操控系统、超构机械等，并结合微纳结构的拓扑光学性质，对拓扑光操控等新奇效应进行了探讨。最后，展望了超构表面微操纵技术的未来发展方向和目标。相关研究内容以“超构表面赋能光学微操控技术（特邀）”为题发表在《光学学报》期刊上。
光力的基本原理
光和微粒相互作用会伴随光学动量的传递，导致施加光学力在粒子上，这个光学力可以通过考虑整个系统的动量守恒，并计算麦克斯韦应力张量在包围粒子的一个封闭表面上的积分来确定。深入研究光与物质相互作用的物理机制，并利用麦克斯韦应力张量计算过程伴随的光学力和力矩，为其在光学操纵微粒子、纳米尺度物体的旋转操作等领域的应用提供了基础。
超构表面的物理机制
这项研究介绍在微纳尺度下能够对光场实现精密调控的人工微结构器件——光学超构表面的基本工作机制，它不仅在功能上与空间光调制器、数字微镜器件等相位调制器件相媲美，也可进一步实现衍射极限级别的聚焦，具有像素级的分辨率。
共振相位：超构表面的物理机制来源于广义Snell定律，如图1（a）所示，它描述了在两个不同介质界面处可引入相位梯度，从而调控波前。因此，构建等效折射率不同的纳米天线，可以实现广义的折射与反射定律。2011年，Capasso团队的Yu等利用这一原理，设计了具有双共振特性的V形金纳米天线［图1（b）左侧］，其中，平行和垂直于V形天线的对称轴方向的电场组件会诱导“对称”与“反对称”模态。
图1 各种类型超构表面的物理机制
几何相位：1956年，Pancharatnam在深入探讨电磁波偏振状态时，意识到在转换过程中会出现额外的相位。继而在1984年，Berry指出，量子系统的态在绝热近似下经历一个初态-末态-初态的演化时，会引入与一个与演化路径紧密关联的相位。在光场调控中，可以利用庞加莱球来描述光场偏振的演化过程，并从中揭示几何相位的物理本质。如图1（c）中的庞加莱球所示，当光场的偏振从代表右旋偏振光（RCP）的北极，通过赤道，并经过代表左旋偏振光（LCP）的庞加莱球南极回到北极时，光场相位的改变等于演化路径所对应立体角的一半。早在20世纪初，基于几何相位的光学元件就被Bomzon等在实验上实现，值得一提的是，2012年，Chen等首次利用旋转的金属纳米棒实现了亚波长聚焦功能，为后来超构表面调控全局相位的光场分布奠定了基础。
传播相位：近年来，介质超构表面因其低损耗的材料特性及与传统电子制造工艺的兼容性而受到广大研究者的关注。相比之下，基于等离激元的超构表面在透射式器件中，由于严重的欧姆损耗而常常显示出较低的工作效率。常见的介质超构材料包括硅（Si）、氮化硅（Si₃N₄）和氮化镓（GaN）、二氧化钛（TiO₂）。这种超构表面能够利用光在高纵横比的波导型天线中的传播，累积所需的相位，进而达到相位的调控，这种相位被称为传播相位或动力学相位，如图1（d）所示。
绕行相位：最初，为了达到相位调制的效果，光栅设计中引入了绕行相位。而随着超构表面技术的发展，波前整形技术中再次探讨了绕行相位。如图1（e）所示，研究者可以考虑一个超构表面，其由双纳米柱组成的单元构筑而成，其中每个单元都由两根相同的纳米柱构成。
随着对超构表面功能的需求持续增加，一系列的相位机制如拓扑相位、传播和几何相位结合的复合相位及非局域调控机制接连被提出，这无疑为超构光子学领域注入了新的活力。目前，超构表面正向实际应用领域稳步发展，其中器件的调控维度、效率和稳定性成为了未来发展的核心指向。特别地，效率往往与微结构的尺寸参数及其对应工作波段的材料选择息息相关，而调控维度和器件的稳定性则更多地取决于其背后的物理机制。
超构表面光操控器件
由于超构表面的小型化、平面化、多功能和集成化的优点以及灵活调控相位的强大能力，这种新型微纳器件逐渐被用于非接触式光学微操控系统中。这项研究对超构表面光镊的相关工作以及应用的最新进展进行讨论。
超构表面光镊：光镊依赖于高度聚焦的激光光束，利用其焦点来实现微小物体的捕获和操纵。当目标粒子被定位于光束的焦点附近，其受到的散射力与光强梯度力达到平衡状态，粒子被稳定地“捕获”或“固定”于该焦点位置。通过超构表面调制生成高强度聚焦的光场，可以在极大缩小体积的情况下也提供光镊的基本功能。2020年，Chantakit等设计并实验验证了一款基于非晶硅的几何相位超构透镜，用于在近红外波段进行二维光学捕获操作。这种超构透镜由于其体积紧凑的特点，为光阱的微调和对齐提供了显著的灵活性。为了优化光镊系统的集成度，Plidschun等提出了在光纤集成超高数值孔径（NA）的超构表面，以实现更加紧凑的光学捕获系统。这种设计方案不仅提供了对微米尺度粒子和细菌的稳定三维光学夹持能力，同时也显著降低了整体成本，并实现了与现有光纤系统的高度兼容性。而对于复杂的三维粒子操纵，Kuo等采用由GaN圆形纳米柱构成的立方相位超构表面，生成了具有垂直加速性质的二维Airy光束。这种光束具有高强度梯度和特殊的传播特性，能有效地实现粒子群的三维操纵。此外，Xiao等于2022年报道了一种用于芯片级光学捕获应用的反射型超构表面。该超构表面具有NA大于1和高捕获刚度的优点，其性能与同等NA的传统显微镜物镜相当，但体积显著减小。由此可见，超构表面光镊技术不仅能够实现对微小颗粒的精确操纵，还具有体积小、易于集成和高度灵活的优势，为未来光镊的广泛应用提供了新的可能性。
图2 几种超构表面光镊
多功能超构微操控器件：超构表面光镊由于具有体积小、精度高的优势，在紧凑光学平台的优势显而易见，然而在多维度光场调控中，与空间光调制器等可调谐器件相比，微加工制备过程中一旦完成，整个样品所加载的相位即已固定，无法进行功能上的切换，这严重限制了超构表面光镊的多功能性发展。因此，开发并应用基于超构表面的多维度光场调控技术显得尤为重要。2018年，Markovich等利用包含重叠的纵向、横向和交叉的金属纳米天线，实现了对正交线偏振光的双焦点透镜。如图3（a）所示，通过改变入射光的线偏振态，可以在两个焦点间对微米量级聚苯乙烯微球进行连续转移，并利用粒子追踪算法对两个焦点的光学捕获刚度进行了定量分析。该双焦点超透镜展示了一种利用偏振控制沿光轴方向操纵微粒的新方法，可望应用于集成光流控芯片。
图3 多功能超构表面微操控器件
超构表面真空光镊：传统光镊系统的工作环境在液体条件下，适用于操纵较大的生物样本，如细胞和蛋白质，其操纵过程可能受到溶液环境的阻力和样品生物活性的影响。真空光镊则主要操纵原子、分子和纳米颗粒，常用于悬浮光力学、量子物理和原子间相互作用的精确测量。其在真空环境下可以实现更高的操作精度并抑制背景气体导致的布朗运动。为了精确操控原子的行为，使原子冷却，通常使用磁光阱（MOT）技术来捕获和囚禁原子簇。基本原理为：激光束在径向上的旋向性与轴向上的旋向性相反。进入激光束交叉区域的原子被减慢，位置相关的力将冷原子推向陷阱中心。然而，产生预想圆偏振激光以及控制激光传播方向等需要占用很大的空间。为了实现集成的冷原子制备装置，单束激光的MOT设计得到了高度关注。尽管此前的单光束MOT系统已有很多进步，但仍存在捕获原子区域不对称、光能利用率低等问题，从而限制了其在量子存储和传感领域的应用，此外，冷原子制备装置的小型化、集成性和可扩展性一直被传统光学系统中的大量光学元件（如分束器、透镜、反射镜等）所阻碍，而对光在亚波长尺度有精确调控的超构表面芯片有望解决这一问题。
图4 几种超构表面真空光镊
超构表面光学牵引力：物体在入射光的作用下，通常会被向前推进，然而十多年前，Chen等的研究发现，在特殊光场的作用下，物体会被光拉向它的来源方向。这被称为光学拉力或者光学牵引力，由此衍生而来的一些出乎意料的光力学行为，例如负转矩和侧向力，为操纵技术增加了新的维度，并促进了该领域的新突破。然而光学牵引力由于其极为苛刻的条件而难以实现。基于此，超构表面强大的调控能力为实现光学牵引力创造了条件。2015年，Pfeiffer等设计了同心环的硅基超构表面，平面波入射后超构表面会生成两束分别为阶和阶线偏振Bessel光束的叠加光场，实现了对粒子的牵引，如图5（a）所示。
图5 超构表面实现光学牵引力
基于拓扑物理的光力效应
拓扑光子学是近年来迅速崛起的一个研究领域，它继承于凝聚态中的拓扑物理，主要研究光在人工微结构中的传播特性，特别是在存在拓扑缺陷或边界的系统中。与前文提及的超构表面光场调控不同的是，拓扑光子学的焦点在于整体的系统特性和拓扑性质，如鲁棒性和无损失的边界传输。这使得在微结构上存在其他微粒、杂质或结构缺陷的情况下，光仍然可以定向、无损失、无反射地沿着界面或边缘传播。因此，拓扑光子学为设计和实现更为复杂的光学微操控行为提供了全新的环境和方法。
基于光学拓扑绝缘体的微操控：早在2015年，Wang等首次提出了一个基于单向拓扑边缘态的光学牵引力的概念。如图6（a）所示，他们巧妙地通过光子晶体波导设计，并选择合适的入射模式，实现了沿波导前进方向的光学牵引力，它来源于两个共存单向模式之间的动量差异。该设计能够避免受到波导结构的影响，并使得粒子不受其形状和介电常数的约束。相较于在自由空间中实施的光学牵引力方法，该方法免除了对入射光场的结构化处理的需求。精妙的微纳结构设计还使得粒子能够顺利通过90°的弯曲路径，为大尺寸或高介电常数的粒子提供更大的牵引力。如图6（b）所示，2020年，Li等的研究进一步提出了利用调节光子晶体动量空间中等频率曲面形状（称为光动量拓扑）来产生平面波的牵引力效应。这种方法的核心是物体在特定的光动量拓扑条件下将光散射到轴外方向，从而实现向光源方向的牵引。如图6（c）所示，Wang等在其2022年的研究中，进一步探讨了在由两个手性超材料构成的超构波导空气槽中产生的光学牵引力。这种牵引力的产生是基于两个拓扑保护的手性表面波之间的波数差异，它显示出与粒子的形状、材料和大小无关，且对频率具有鲁棒性。同年，Qu等则采用了由六角形光子晶体区域和两个磁化光子晶体区域组成的异质结构，如图6（d）所示，为微粒提供了大范围且灵活的电磁操作机会。这种设计的核心在于其内部存在的两种共传向的拓扑性单向波导态。这些模式允许进行复杂的动力学操作，如拉动或推动粒子，并能针对不同材料的粒子进行分选。由此可见，拓扑光子绝缘体的定向能流会覆盖颗粒本身的散射，从而达到灵活操控的目的。
图6 基于拓扑光学的光学微操纵
基于连续域中拓扑束缚态的微操控：除了类比于凝聚态系统中的拓扑绝缘体，连续域中的束缚态（BIC）同样代表了一种具有拓扑性质的电磁本征态。区别于传统的局部化模式，BIC在频率-波矢图上奇特地位于辐射连续域，也即光锥范围内。尽管其频率明确地落在这一连续域中，BIC却显示出完全的局部化特性，其中的电磁波能量被完全束缚并局限在介质或结构中，不会向外部辐射。这一非辐射特性赋予了BIC非常高的品质因子Q。BIC可以被看作远场辐射偏振方向的旋涡中心，因此围绕中心可以定义其拓扑荷数，即沿着k空间中的一个封闭路径围绕BIC的绕数。这一绕数是整数，其正负表示旋转的方向。当系统参数连续变化时，偏振矢量空间中奇点的总和沿着封闭路径保持不变，因此，拓扑电荷守恒严格地限制了BIC如何形成、如何演变以及如何湮灭。然而在实际中由于微结构制备工艺存在误差，被观测到的更多的是准BIC情况，它们与真正的BIC非常接近，但由于对称性或干涉条件的轻微破坏，它们可能会显示出有限的辐射泄漏。
光学微操控用于拓扑物态探测：光学斯格明子代表了电磁场中的一种稳定的拓扑准粒子态，其特征在于其向量场展现为三维纺锤状结构。这种结构，由于其与磁性材料中的斯格明子相似性，使得它的拓扑属性可以用斯格明子数来描述。基于电磁场的各种性质，可以将光学斯格明子分为不同类别，例如Neel型斯格明子、布洛赫斯格明子以及斯托克斯斯格明子，它们各自对应着不同的电磁场向量模式。尽管这些复杂的向量场在实验探测上具有挑战性，但可以间接地通过研究光场与纳米颗粒之间的互动来感知其拓扑状态。
光驱动的人工微纳机械
前面内容讨论了通过超构表面调制的光场与微观物体之间的相互作用所带来的效果。尽管与传统的光学微操控系统相比，它在紧凑性和操控精度上都有所进步，但其物理现象和运动行为仍然受限于传统理论的框架。接着将进一步阐述当光照射到超构表面时产生的辐射压会对超构表面产生反作用力。通过巧妙地设计散射场，可以对这种反作用力进行控制，从而创造出与微纳米球或微纳米棒完全不同的微操纵效果，且不受制于入射光场的特性。这进一步打开了光学超控的新篇章。
光驱动的金属表面等离激元微结构：金属超构材料的工作原理主要基于表面等离子体极化激元，通常简称为表面等离激元（SP）。这些等离激元是金属纳米结构受光照射时与导电电子相互作用产生的表面电荷振荡现象。当金属纳米结构（例如由金或银构成）受到光照射时，其中的自由电子会被激发，形成振荡。在特定的频率下，这些电子的振荡与入射光的电磁波达到共振，引发强烈的电子云振荡，这种特定现象被称作“表面等离子共振（SPR）”。得益于这些等离激元，当光照射到金属纳米结构时，它会在结构表面形成高度集中的局部电场，从而产生的光强极大地超过入射光。通过精心设计金属结构的形态，研究者可以操纵光的散射方向。作为例证，光学马达是基于光驱动的等离激元结构中的一个简单实例。
图7 光驱动的金属表面等离激元微结构
光驱动的介质超构机械：与金属表面等离激元效应诱导的光力学并行的是基于介质材料的超构机械的兴起。如图8（a）所示，Magallanes和Brasselet利用在玻璃上刻制的带有相位梯度的几何相位，成功实现了圆偏振光诱导的光学侧向力。继而，他们通过设计四个辐射方向各有不同相位梯度的超构表面，展现了在宏观层面可观察的光学扭矩。不过，他们所产生的扭矩是基于仔细设计的元件结构和相位梯度，且受到结构设计的制约。2021年，Andrén等提出了一个新颖的概念——“超构跑车（metavehicles）”。如图8（b）所示，他们创新性地设计了一种对平面偏振光高度敏感的超构光栅（OGM）。Qin等采用调整纳米柱间距产生的法诺共振，通过微调结构参数来改变共振峰的位置，实现了基于BIC的超构跑车，如图8（c）所示。但该方法仍属于光栅类别，缺乏切换自由度以调整光的偏折方向，因此它不能像人类日常使用的车辆那样实现“倒车”功能。因此，在2023年，Li等进一步完善了这一概念，实现了一个全功能版的超构跑车。他们巧妙地利用了介质材料的双折射特性，构建了一个对平面偏振光和竖直偏振光都高度敏感的相位梯度超构表面（PGM），如图8（d）所示。
图8 光驱动的介质超构机械
结论
本文综述了基于超构表面的光学微操控领域的前沿进展。从电磁机制的基本原理出发，讨论了在计算光学力和光学扭矩时所遵循的基本原则。探讨了超构表面的核心物理机制，详细解析了共振相位、几何相位、传播相位及绕行相位的物理机制。概述了一系列基于超构表面的微操控器件，如超构表面光镊、多功能超构微操控器件、超构真空光镊等。此外，对拓扑光子学效应如何被用于微操控策略进行了探讨，包括基于光学拓扑绝缘体和基于连续域中拓扑束缚态的微操控，以及如何运用微操控技术探测新奇拓扑现象。由于超构表面的尺寸处于微米级别，其本身也具有被光场驱动以产生机械运动的能力，由此衍生出一系列人工微型机器，包括光驱动的金属表面等离激元微结构和介质超构机械两大类，这为构建全新一代的光驱动微机器人提供了可能，也是今后这个领域发展的热点方向。
展望未来，超构表面微操纵技术有望朝着更高的时间分辨率、更高的空间精度、更低的操控功率方向迈进。为此，对超构表面的底层设计方案和实验制备标准提出了更为迫切的要求。尽管超构表面的引入在微操控系统方面取得了一定的进展，显著缩小了体积，但在宽波段、多光学维度的响应以及器件阈值上仍存在着进一步开发和提升的空间。在微操控系统方面，超构表面的亚波长尺度结构将继续成为研究的关键焦点。尤其是在拓扑光操控领域，有望进一步扩展其研究范围，将非阿贝尔、非厄米和非线性效应与之结合，发现全新的物理现象。在生物和化学领域，超构光操控技术有望在更小的尺度上灵活运用，甚至达到对单分子水平的物体进行操控。这一技术还有望进一步应用在电池质检和靶向治疗等领域，为能源和生命科学的基础研究和实际应用带来变革。特别地，在发展超快光学领域方面，超构表面正逐步展现出独特的优势。纳米尺度的超构光栅可以实现非常高分辨率的光谱测量，而非线性超构表面的设计可用于增强非线性效应或生成高次谐波，为实现高时间分辨的瞬态微操控技术提供了可能。总体而言，从传统光学微操控到超构操控的技术演变将继续推动微纳光学领域的蓬勃发展。这类技术范式不仅有助于满足各个基础研究领域的需求，而且将引领更多颠覆性的创新应用，为科学技术的发展开辟新的途径。
DOI: 10.3788/AOS231748
光学超构表面凭借其小型化集成化的优势和对光场出色的调控能力，近年来已被深入应用于光学微操控技术研究，这标志着该交叉领域进入了新的发展阶段。特别地，由于超构表面的尺寸在亚波长级别，具有被光场驱动从而产生机械运动的潜力，这一特性为新一代光驱动的人工微机器人提供了重要的理论基础和技术支撑。
据麦姆斯咨询报道，由中国科学院西安光学精密机械研究所、中国科学院大学、南京大学和浙江大学组成的科研团队依次从光学微操控的基本原理和超表面的相位机制出发，详细回顾了基于超构表面的多种微操控器件，包括超构表面光镊、多功能微操控系统、超构机械等，并结合微纳结构的拓扑光学性质，对拓扑光操控等新奇效应进行了探讨。最后，展望了超构表面微操纵技术的未来发展方向和目标。相关研究内容以“超构表面赋能光学微操控技术（特邀）”为题发表在《光学学报》期刊上。
光力的基本原理
光和微粒相互作用会伴随光学动量的传递，导致施加光学力在粒子上，这个光学力可以通过考虑整个系统的动量守恒，并计算麦克斯韦应力张量在包围粒子的一个封闭表面上的积分来确定。深入研究光与物质相互作用的物理机制，并利用麦克斯韦应力张量计算过程伴随的光学力和力矩，为其在光学操纵微粒子、纳米尺度物体的旋转操作等领域的应用提供了基础。
超构表面的物理机制
这项研究介绍在微纳尺度下能够对光场实现精密调控的人工微结构器件——光学超构表面的基本工作机制，它不仅在功能上与空间光调制器、数字微镜器件等相位调制器件相媲美，也可进一步实现衍射极限级别的聚焦，具有像素级的分辨率。
共振相位：超构表面的物理机制来源于广义Snell定律，如图1（a）所示，它描述了在两个不同介质界面处可引入相位梯度，从而调控波前。因此，构建等效折射率不同的纳米天线，可以实现广义的折射与反射定律。2011年，Capasso团队的Yu等利用这一原理，设计了具有双共振特性的V形金纳米天线［图1（b）左侧］，其中，平行和垂直于V形天线的对称轴方向的电场组件会诱导“对称”与“反对称”模态。
图1 各种类型超构表面的物理机制
几何相位：1956年，Pancharatnam在深入探讨电磁波偏振状态时，意识到在转换过程中会出现额外的相位。继而在1984年，Berry指出，量子系统的态在绝热近似下经历一个初态-末态-初态的演化时，会引入与一个与演化路径紧密关联的相位。在光场调控中，可以利用庞加莱球来描述光场偏振的演化过程，并从中揭示几何相位的物理本质。如图1（c）中的庞加莱球所示，当光场的偏振从代表右旋偏振光（RCP）的北极，通过赤道，并经过代表左旋偏振光（LCP）的庞加莱球南极回到北极时，光场相位的改变等于演化路径所对应立体角的一半。早在20世纪初，基于几何相位的光学元件就被Bomzon等在实验上实现，值得一提的是，2012年，Chen等首次利用旋转的金属纳米棒实现了亚波长聚焦功能，为后来超构表面调控全局相位的光场分布奠定了基础。
传播相位：近年来，介质超构表面因其低损耗的材料特性及与传统电子制造工艺的兼容性而受到广大研究者的关注。相比之下，基于等离激元的超构表面在透射式器件中，由于严重的欧姆损耗而常常显示出较低的工作效率。常见的介质超构材料包括硅（Si）、氮化硅（Si₃N₄）和氮化镓（GaN）、二氧化钛（TiO₂）。这种超构表面能够利用光在高纵横比的波导型天线中的传播，累积所需的相位，进而达到相位的调控，这种相位被称为传播相位或动力学相位，如图1（d）所示。
绕行相位：最初，为了达到相位调制的效果，光栅设计中引入了绕行相位。而随着超构表面技术的发展，波前整形技术中再次探讨了绕行相位。如图1（e）所示，研究者可以考虑一个超构表面，其由双纳米柱组成的单元构筑而成，其中每个单元都由两根相同的纳米柱构成。
随着对超构表面功能的需求持续增加，一系列的相位机制如拓扑相位、传播和几何相位结合的复合相位及非局域调控机制接连被提出，这无疑为超构光子学领域注入了新的活力。目前，超构表面正向实际应用领域稳步发展，其中器件的调控维度、效率和稳定性成为了未来发展的核心指向。特别地，效率往往与微结构的尺寸参数及其对应工作波段的材料选择息息相关，而调控维度和器件的稳定性则更多地取决于其背后的物理机制。
超构表面光操控器件
由于超构表面的小型化、平面化、多功能和集成化的优点以及灵活调控相位的强大能力，这种新型微纳器件逐渐被用于非接触式光学微操控系统中。这项研究对超构表面光镊的相关工作以及应用的最新进展进行讨论。
超构表面光镊：光镊依赖于高度聚焦的激光光束，利用其焦点来实现微小物体的捕获和操纵。当目标粒子被定位于光束的焦点附近，其受到的散射力与光强梯度力达到平衡状态，粒子被稳定地“捕获”或“固定”于该焦点位置。通过超构表面调制生成高强度聚焦的光场，可以在极大缩小体积的情况下也提供光镊的基本功能。2020年，Chantakit等设计并实验验证了一款基于非晶硅的几何相位超构透镜，用于在近红外波段进行二维光学捕获操作。这种超构透镜由于其体积紧凑的特点，为光阱的微调和对齐提供了显著的灵活性。为了优化光镊系统的集成度，Plidschun等提出了在光纤集成超高数值孔径（NA）的超构表面，以实现更加紧凑的光学捕获系统。这种设计方案不仅提供了对微米尺度粒子和细菌的稳定三维光学夹持能力，同时也显著降低了整体成本，并实现了与现有光纤系统的高度兼容性。而对于复杂的三维粒子操纵，Kuo等采用由GaN圆形纳米柱构成的立方相位超构表面，生成了具有垂直加速性质的二维Airy光束。这种光束具有高强度梯度和特殊的传播特性，能有效地实现粒子群的三维操纵。此外，Xiao等于2022年报道了一种用于芯片级光学捕获应用的反射型超构表面。该超构表面具有NA大于1和高捕获刚度的优点，其性能与同等NA的传统显微镜物镜相当，但体积显著减小。由此可见，超构表面光镊技术不仅能够实现对微小颗粒的精确操纵，还具有体积小、易于集成和高度灵活的优势，为未来光镊的广泛应用提供了新的可能性。
图2 几种超构表面光镊
多功能超构微操控器件：超构表面光镊由于具有体积小、精度高的优势，在紧凑光学平台的优势显而易见，然而在多维度光场调控中，与空间光调制器等可调谐器件相比，微加工制备过程中一旦完成，整个样品所加载的相位即已固定，无法进行功能上的切换，这严重限制了超构表面光镊的多功能性发展。因此，开发并应用基于超构表面的多维度光场调控技术显得尤为重要。2018年，Markovich等利用包含重叠的纵向、横向和交叉的金属纳米天线，实现了对正交线偏振光的双焦点透镜。如图3（a）所示，通过改变入射光的线偏振态，可以在两个焦点间对微米量级聚苯乙烯微球进行连续转移，并利用粒子追踪算法对两个焦点的光学捕获刚度进行了定量分析。该双焦点超透镜展示了一种利用偏振控制沿光轴方向操纵微粒的新方法，可望应用于集成光流控芯片。
图3 多功能超构表面微操控器件
超构表面真空光镊：传统光镊系统的工作环境在液体条件下，适用于操纵较大的生物样本，如细胞和蛋白质，其操纵过程可能受到溶液环境的阻力和样品生物活性的影响。真空光镊则主要操纵原子、分子和纳米颗粒，常用于悬浮光力学、量子物理和原子间相互作用的精确测量。其在真空环境下可以实现更高的操作精度并抑制背景气体导致的布朗运动。为了精确操控原子的行为，使原子冷却，通常使用磁光阱（MOT）技术来捕获和囚禁原子簇。基本原理为：激光束在径向上的旋向性与轴向上的旋向性相反。进入激光束交叉区域的原子被减慢，位置相关的力将冷原子推向陷阱中心。然而，产生预想圆偏振激光以及控制激光传播方向等需要占用很大的空间。为了实现集成的冷原子制备装置，单束激光的MOT设计得到了高度关注。尽管此前的单光束MOT系统已有很多进步，但仍存在捕获原子区域不对称、光能利用率低等问题，从而限制了其在量子存储和传感领域的应用，此外，冷原子制备装置的小型化、集成性和可扩展性一直被传统光学系统中的大量光学元件（如分束器、透镜、反射镜等）所阻碍，而对光在亚波长尺度有精确调控的超构表面芯片有望解决这一问题。
图4 几种超构表面真空光镊
超构表面光学牵引力：物体在入射光的作用下，通常会被向前推进，然而十多年前，Chen等的研究发现，在特殊光场的作用下，物体会被光拉向它的来源方向。这被称为光学拉力或者光学牵引力，由此衍生而来的一些出乎意料的光力学行为，例如负转矩和侧向力，为操纵技术增加了新的维度，并促进了该领域的新突破。然而光学牵引力由于其极为苛刻的条件而难以实现。基于此，超构表面强大的调控能力为实现光学牵引力创造了条件。2015年，Pfeiffer等设计了同心环的硅基超构表面，平面波入射后超构表面会生成两束分别为阶和阶线偏振Bessel光束的叠加光场，实现了对粒子的牵引，如图5（a）所示。
图5 超构表面实现光学牵引力
基于拓扑物理的光力效应
拓扑光子学是近年来迅速崛起的一个研究领域，它继承于凝聚态中的拓扑物理，主要研究光在人工微结构中的传播特性，特别是在存在拓扑缺陷或边界的系统中。与前文提及的超构表面光场调控不同的是，拓扑光子学的焦点在于整体的系统特性和拓扑性质，如鲁棒性和无损失的边界传输。这使得在微结构上存在其他微粒、杂质或结构缺陷的情况下，光仍然可以定向、无损失、无反射地沿着界面或边缘传播。因此，拓扑光子学为设计和实现更为复杂的光学微操控行为提供了全新的环境和方法。
基于光学拓扑绝缘体的微操控：早在2015年，Wang等首次提出了一个基于单向拓扑边缘态的光学牵引力的概念。如图6（a）所示，他们巧妙地通过光子晶体波导设计，并选择合适的入射模式，实现了沿波导前进方向的光学牵引力，它来源于两个共存单向模式之间的动量差异。该设计能够避免受到波导结构的影响，并使得粒子不受其形状和介电常数的约束。相较于在自由空间中实施的光学牵引力方法，该方法免除了对入射光场的结构化处理的需求。精妙的微纳结构设计还使得粒子能够顺利通过90°的弯曲路径，为大尺寸或高介电常数的粒子提供更大的牵引力。如图6（b）所示，2020年，Li等的研究进一步提出了利用调节光子晶体动量空间中等频率曲面形状（称为光动量拓扑）来产生平面波的牵引力效应。这种方法的核心是物体在特定的光动量拓扑条件下将光散射到轴外方向，从而实现向光源方向的牵引。如图6（c）所示，Wang等在其2022年的研究中，进一步探讨了在由两个手性超材料构成的超构波导空气槽中产生的光学牵引力。这种牵引力的产生是基于两个拓扑保护的手性表面波之间的波数差异，它显示出与粒子的形状、材料和大小无关，且对频率具有鲁棒性。同年，Qu等则采用了由六角形光子晶体区域和两个磁化光子晶体区域组成的异质结构，如图6（d）所示，为微粒提供了大范围且灵活的电磁操作机会。这种设计的核心在于其内部存在的两种共传向的拓扑性单向波导态。这些模式允许进行复杂的动力学操作，如拉动或推动粒子，并能针对不同材料的粒子进行分选。由此可见，拓扑光子绝缘体的定向能流会覆盖颗粒本身的散射，从而达到灵活操控的目的。
图6 基于拓扑光学的光学微操纵
基于连续域中拓扑束缚态的微操控：除了类比于凝聚态系统中的拓扑绝缘体，连续域中的束缚态（BIC）同样代表了一种具有拓扑性质的电磁本征态。区别于传统的局部化模式，BIC在频率-波矢图上奇特地位于辐射连续域，也即光锥范围内。尽管其频率明确地落在这一连续域中，BIC却显示出完全的局部化特性，其中的电磁波能量被完全束缚并局限在介质或结构中，不会向外部辐射。这一非辐射特性赋予了BIC非常高的品质因子Q。BIC可以被看作远场辐射偏振方向的旋涡中心，因此围绕中心可以定义其拓扑荷数，即沿着k空间中的一个封闭路径围绕BIC的绕数。这一绕数是整数，其正负表示旋转的方向。当系统参数连续变化时，偏振矢量空间中奇点的总和沿着封闭路径保持不变，因此，拓扑电荷守恒严格地限制了BIC如何形成、如何演变以及如何湮灭。然而在实际中由于微结构制备工艺存在误差，被观测到的更多的是准BIC情况，它们与真正的BIC非常接近，但由于对称性或干涉条件的轻微破坏，它们可能会显示出有限的辐射泄漏。
光学微操控用于拓扑物态探测：光学斯格明子代表了电磁场中的一种稳定的拓扑准粒子态，其特征在于其向量场展现为三维纺锤状结构。这种结构，由于其与磁性材料中的斯格明子相似性，使得它的拓扑属性可以用斯格明子数来描述。基于电磁场的各种性质，可以将光学斯格明子分为不同类别，例如Neel型斯格明子、布洛赫斯格明子以及斯托克斯斯格明子，它们各自对应着不同的电磁场向量模式。尽管这些复杂的向量场在实验探测上具有挑战性，但可以间接地通过研究光场与纳米颗粒之间的互动来感知其拓扑状态。
光驱动的人工微纳机械
前面内容讨论了通过超构表面调制的光场与微观物体之间的相互作用所带来的效果。尽管与传统的光学微操控系统相比，它在紧凑性和操控精度上都有所进步，但其物理现象和运动行为仍然受限于传统理论的框架。接着将进一步阐述当光照射到超构表面时产生的辐射压会对超构表面产生反作用力。通过巧妙地设计散射场，可以对这种反作用力进行控制，从而创造出与微纳米球或微纳米棒完全不同的微操纵效果，且不受制于入射光场的特性。这进一步打开了光学超控的新篇章。
光驱动的金属表面等离激元微结构：金属超构材料的工作原理主要基于表面等离子体极化激元，通常简称为表面等离激元（SP）。这些等离激元是金属纳米结构受光照射时与导电电子相互作用产生的表面电荷振荡现象。当金属纳米结构（例如由金或银构成）受到光照射时，其中的自由电子会被激发，形成振荡。在特定的频率下，这些电子的振荡与入射光的电磁波达到共振，引发强烈的电子云振荡，这种特定现象被称作“表面等离子共振（SPR）”。得益于这些等离激元，当光照射到金属纳米结构时，它会在结构表面形成高度集中的局部电场，从而产生的光强极大地超过入射光。通过精心设计金属结构的形态，研究者可以操纵光的散射方向。作为例证，光学马达是基于光驱动的等离激元结构中的一个简单实例。
图7 光驱动的金属表面等离激元微结构
光驱动的介质超构机械：与金属表面等离激元效应诱导的光力学并行的是基于介质材料的超构机械的兴起。如图8（a）所示，Magallanes和Brasselet利用在玻璃上刻制的带有相位梯度的几何相位，成功实现了圆偏振光诱导的光学侧向力。继而，他们通过设计四个辐射方向各有不同相位梯度的超构表面，展现了在宏观层面可观察的光学扭矩。不过，他们所产生的扭矩是基于仔细设计的元件结构和相位梯度，且受到结构设计的制约。2021年，Andrén等提出了一个新颖的概念——“超构跑车（metavehicles）”。如图8（b）所示，他们创新性地设计了一种对平面偏振光高度敏感的超构光栅（OGM）。Qin等采用调整纳米柱间距产生的法诺共振，通过微调结构参数来改变共振峰的位置，实现了基于BIC的超构跑车，如图8（c）所示。但该方法仍属于光栅类别，缺乏切换自由度以调整光的偏折方向，因此它不能像人类日常使用的车辆那样实现“倒车”功能。因此，在2023年，Li等进一步完善了这一概念，实现了一个全功能版的超构跑车。他们巧妙地利用了介质材料的双折射特性，构建了一个对平面偏振光和竖直偏振光都高度敏感的相位梯度超构表面（PGM），如图8（d）所示。
图8 光驱动的介质超构机械
结论
本文综述了基于超构表面的光学微操控领域的前沿进展。从电磁机制的基本原理出发，讨论了在计算光学力和光学扭矩时所遵循的基本原则。探讨了超构表面的核心物理机制，详细解析了共振相位、几何相位、传播相位及绕行相位的物理机制。概述了一系列基于超构表面的微操控器件，如超构表面光镊、多功能超构微操控器件、超构真空光镊等。此外，对拓扑光子学效应如何被用于微操控策略进行了探讨，包括基于光学拓扑绝缘体和基于连续域中拓扑束缚态的微操控，以及如何运用微操控技术探测新奇拓扑现象。由于超构表面的尺寸处于微米级别，其本身也具有被光场驱动以产生机械运动的能力，由此衍生出一系列人工微型机器，包括光驱动的金属表面等离激元微结构和介质超构机械两大类，这为构建全新一代的光驱动微机器人提供了可能，也是今后这个领域发展的热点方向。
展望未来，超构表面微操纵技术有望朝着更高的时间分辨率、更高的空间精度、更低的操控功率方向迈进。为此，对超构表面的底层设计方案和实验制备标准提出了更为迫切的要求。尽管超构表面的引入在微操控系统方面取得了一定的进展，显著缩小了体积，但在宽波段、多光学维度的响应以及器件阈值上仍存在着进一步开发和提升的空间。在微操控系统方面，超构表面的亚波长尺度结构将继续成为研究的关键焦点。尤其是在拓扑光操控领域，有望进一步扩展其研究范围，将非阿贝尔、非厄米和非线性效应与之结合，发现全新的物理现象。在生物和化学领域，超构光操控技术有望在更小的尺度上灵活运用，甚至达到对单分子水平的物体进行操控。这一技术还有望进一步应用在电池质检和靶向治疗等领域，为能源和生命科学的基础研究和实际应用带来变革。特别地，在发展超快光学领域方面，超构表面正逐步展现出独特的优势。纳米尺度的超构光栅可以实现非常高分辨率的光谱测量，而非线性超构表面的设计可用于增强非线性效应或生成高次谐波，为实现高时间分辨的瞬态微操控技术提供了可能。总体而言，从传统光学微操控到超构操控的技术演变将继续推动微纳光学领域的蓬勃发展。这类技术范式不仅有助于满足各个基础研究领域的需求，而且将引领更多颠覆性的创新应用，为科学技术的发展开辟新的途径。
DOI: 10.3788/AOS231748
