Tuning the Stiffness Asymmetry of Optical Tweezers via Polarization Control
利用高度聚焦的线偏振激光束的光镊具有很强的陷阱刚度不对称性，这源于横向平面中的各向异性场分布。在前人对偏振相关聚焦场分布研究的基础上，我们从光阱刚度不对称性的角度探讨了其在光阱中的表现。我们的研究结果表明，偏振控制提供了一个多功能的调谐旋钮剪裁光学势景观，即使在一个强烈修改的情况下，在存在的介质球大于陷阱光束的波长的聚焦场。
2015-11-26 physics.optics
Tutorial on the analytical calculation of optical forces on spherical particles in optical tweezers
阿瑟·阿什金因发明光镊而获得2018年诺贝尔物理学奖。自1986年首次发表以来，光镊已被用作测量微观系统的力和流变特性的工具。对于这些测量的校准，力的知识是基本的。然而，它仍然是常见的推断光学力从假设的基础上的颗粒尺寸相对于捕获激光波长。这表明有必要开发一个完整和准确的电磁模型，不依赖于早期的近似力模型。此外，我们开发的模型有几个优点，如形态依赖的共振，大球体的尺寸依赖性，以及较小颗粒的多极效应，仅举几例。在本教程中，我们将回顾和讨论光镊中光学力的物理建模，光学力是由捕获光束施加在任何大小和组成的球体上的合力。
2019-04-23 physics.optics
Plasmonic Optical Tweezers based on Nanostructures: fundamentals, advances and prospects
金属纳米结构在亚波长尺度上限制光的能力使纳米技术领域有了新的前景和机会。利用这一独特的优势，纳米光学捕获技术已被开发出来，以应对从生物学到量子光学等广泛领域的新挑战。本文从基础理论出发，综述了近场光学操纵技术在金属纳米结构上的研究进展，重点介绍了近场光学操纵技术在分子技术中的一些最有前途的进展，如对生物单分子的精确控制。我们还提供了一个概述纳米操纵技术的未来可能的研究方向。
2019-07-25 physics.optics
2000-times repeated imaging of strontium atoms in clock-magic tweezer arrays
我们证明了单原子分辨成像的生存概率为$0.99932(8)$和保真度为$0.99991(1)$，使我们能够在镊子中重复进行数千次的单原子高保真成像。我们进一步观察到寿命下激光冷却超过7分钟，一个数量级的时间比以前的镊子研究。实验是用锶原子在$813.4~\text{nm}$镊子阵列中进行的，这是一个神奇的波长的时钟跃迁。调谐到这个波长是通过在相互组合线上的非魔法西西弗斯冷却实现的，这让我们几乎可以任意选择镊子波长。我们发现，径向方向上的单个非逆反射冷却束足以减轻成像期间的反冲加热。此外，这种冷却技术产生低于$5~μ$ K的温度，如通过释放和再捕获测量的。最后，我们展示了时钟状态分辨检测，平均生存概率为$0.996(1)$，平均状态检测保真度为$0.981(1)$。我们的工作为一个原子接一个原子地组装大型无缺陷的碱土原子阵列铺平了道路，在这种情况下，对时钟跃迁的反复询问是迫在眉睫的可能性。
2018-12-11 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph physics.optics
In-plane subwavelength near field optical capsule for lab-on-a-chip optical nano-tweezer
在这封信中，我们提出了一个新的概念验证的光学纳米镊子的基础上，一对介电矩形棒能够产生一类新的控制有限体积近场光胶囊。时域有限差分模拟的光的空间结构和光捕获力的金纳米粒子浸没在水中演示了一个平面的亚波长光学胶囊的物理概念，集成了微流体介观器件。结果表明，折射率和介质矩形棒之间的距离可以控制光学胶囊的形状和轴向位置。这种平面内波长缩放结构为在紧凑的平面结构中操纵包括生物颗粒在内的吸收性纳米颗粒提供了新的途径，因此应该在芯片实验室领域开辟有前途的前景。
2021-10-04 physics.optics
Photonic Nanojets in Optical Tweezers
光子纳米喷射由于其亚波长的分辨率可以增强探测和与物质的相互作用，在超显微镜领域有着潜在的应用前景，十年前就引起了人们的关注。对于这些正在开发中的新应用，球体的光学捕获充当采用光子纳米喷射的理想框架。在本研究中，我们产生的纳米射流，通过使用高度聚焦的入射光束，在传统的平面波。该方法继承了光学捕获的优点，特别是对于细胞内应用，微球在光束传播轴上处于平衡状态，并在空间中任意定位。此外，由于光学散射力，当球体处于平衡时，其中心相对于入射光束的焦点移动。然而，当系统与涉及光镊的配置处于稳定平衡时，不能形成光子纳米喷射。为了克服这个问题，我们采用了双光镊的非正统配置，涉及两个共线和共同传播的光束，其精确定位将打开/关闭的光子nanojets，从而提高光子nanojets的适用性。
2015-03-17 physics.optics
A Mid-Infrared Platform Based on Strontium Tweezer Arrays
Columbia University（哥伦比亚大学）；University of Delaware（特拉华大学）
利用光镊阵列中的88Sr原子实现中红外跃迁（2923 nm），通过识别魔幻波长和单原子操控，为研究集体发射现象和偶极多体物理提供平台。
2026-06-01 cond-mat.quant-gas physics.app-ph physics.atom-ph
A comprehensive study of the Spin-Hall effect of tightly focused linearly polarized light through a stratified medium in optical tweezers
本文系统研究了光镊中紧聚焦线偏振光通过分层介质时的自旋霍尔效应，发现特定数值孔径与折射率分层组合可产生远大于亚波长量级的自旋霍尔位移，并揭示了自旋角动量密度随数值孔径的非单调变化规律，为调控被俘获粒子的光力学行为提供了设计依据。
2024-11-21 physics.optics
Hopping of nanoparticles in optical tweezers governed by Mie resonances
Nonlinear Physics Center, Research School of Physics, Australian National University（澳大利亚国立大学物理研究学院非线性物理中心）；School of Optoelectronic Engineering and Instrumentation Science, Dalian University of Technology（大连理工大学光电工程与仪器科学学部）；Department of Electrical and Electronic Engineering, The University of Melbourne（墨尔本大学电气与电子工程系）；Photonics Laboratory, Physics Unit, Tampere University（坦佩雷大学物理学单元光子学实验室）
研究光镊中纳米颗粒动力学，利用波长尺度颗粒支持的高阶米氏共振，在单高斯光束光镊中实现复杂颗粒动力学，揭示其为复杂光力内在机制，建立米氏共振纳米光子学平台。
2026-10-07 physics.optics
Coulomb coupling between two nanospheres trapped in a bichromatic optical tweezer
本文利用1064 nm与976 nm双色激光构建相距约9微米的双光学镊，通过纳米球表面电荷的库仑力实现两球轴向运动强耦合，并由简正模避免交叉加以验证。
2024-08-05 physics.optics quant-ph
Characterization of periodic cavitation in an optical tweezer
显微蒸汽爆炸或空化气泡可以周期性地产生在光学镊子与微粒，部分吸收在捕获激光波长。在这项工作中，我们测量的尺寸分布和生产率的空化气泡的微粒直径为3 $μ$ m，使用高速录像和快速光电二极管。我们发现，有一个下限的最大气泡半径$R_{max}\sim 2~μ$ m，这可以解释的微粒尺寸。所测量的$R_{max}$中的多于$94 \%$在2和6 $μ$ m之间的范围内，而相同百分比的所测量的单个频率$f_i$或产生速率在10和200 Hz之间。光电二极管信号产生气泡寿命的上限，其至多是由瑞利方程预测的值的两倍。我们还报告了$R_{max}$，$f_i$和气泡寿命之间的经验关系。
2016-01-15 physics.flu-dyn physics.optics
Dual-mode optical fiber-based tweezers for robust trapping and manipulation of absorbing particles in air
我们开发了一个光镊系统，使用一个单一的双模光纤介观吸收粒子可以被困在三维和操纵采用电泳力。我们产生的基本和一阶厄米-高斯光束模式的叠加，通过简单的创新耦合到商业光纤激光器被设计为单模的波长高于激光器。我们实现了强大的捕获的吸收粒子数小时，使用纯基波和叠加模式光束，并获得大的操作速度~5 mm/s的轴向方向和~0.75 mm/s的径向方向。然后，我们证明了叠加模式是更有效的捕获和操作相比，基本模式的约80%，这可能会增加几倍，通过使用一个纯粹的一阶厄米高斯模式。这项工作有前途的影响，捕获和光谱的气溶胶在空气中使用简单的光纤为基础的陷阱。
2017-04-05 physics.ins-det physics.optics
Trapped Ion Quantum Computing using Optical Tweezers and the Magnus Effect
我们考虑使用紧聚焦光镊在囚禁离子中实现量子逻辑门。镊子焦点附近的强极化梯度导致离子上的量子位状态依赖力。我们表明，这些可以用来实现在晶体中的离子量子比特对量子逻辑门。由这种效应产生的量子位态依赖力存在于垂直于激光束传播方向的平面上，从而开辟了与离子晶体运动模式耦合的新途径。所提出的门不需要离子的基态冷却，并且不依赖于Lamb-Dicke近似，尽管紧密聚焦的光束的腰部需要与其波长相当，以便实现所需的场曲。此外，门可以在基态和磁场不敏感的时钟状态量子位上执行，而不需要反向传播的激光场。这简化了设置并消除了由于选通激光束之间的相位不稳定性而引起的误差。最后，我们表明，在门执行的缺陷，特别是指向错误$<30$纳米镊子减少门保真度从$\mathcal F\gtrsim 0.99998$到$\gtrsim 0.999$。
2023-01-11 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Optimization-based hologram design for fine optical tweezer arrays and extension of super-resolution criteria
Hamamatsu Photonics K.K.（滨松光子科技株式会社）；Institute for Molecular Science, National Institutes of Natural Sciences（国立自然科学研究所分子科学研究所）
本文提出了一种基于优化的全息图设计方法，实现了亚微米级的光镊阵列排列，并扩展了超分辨率标准。
2026-01-28 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Zero-dispersion Wavelength Mapping in Short Single-Mode Optical Fibers Using Parametric Amplification
我们展示了一种新的方便的非破坏性的方法，基于光参量放大，允许检索的零色散波长图沿短光纤跨度具有高的空间分辨率。提高的分辨率依赖于对参量高增益谱的局部纵向色散波动的高灵敏度。
2006-06-02 physics.optics
Plasmonic tweezers based on connected nanoring apertures
利用光学力操纵微粒已经在生命科学和物理科学中得到了许多应用。为了扩展光学捕获对纳米政权，在这项工作中，我们证明了捕获单个纳米粒子的阵列中的等离子体同轴纳米孔与各种内部磁盘配置和理论上估计相关的力量。对于20 nm聚苯乙烯颗粒，在980 nm的捕获波长下，对于149 nm的纳米盘直径的最佳设计观察到3.50fN/nm/mW的高归一化实验陷阱刚度。理论模拟被用来解释所观察到的陷阱刚度的增强。在14 $\times$ × 10 $^{11}$粒子/ml的浓度下，在0.59 mW/ $μ$ m $^{2}$的低入射激光强度下，获得小于8秒的快速粒子捕获时间。这种良好的捕获性能与纳米粒子的快速递送到多个捕获位点出现从增强的电磁近场和空间温度增加的组合。这项工作在纳米粒子的输送和捕获具有高精度的应用，并弥合光学操纵和纳米流体之间的差距。
2020-07-17 physics.app-ph physics.optics
Optical potential mapping with a levitated nanoparticle at sub-wavelength distances from a membrane
真空悬浮物体在材料表面附近的可控定位对于研究短程力（如卡西米尔力、界面摩擦力或尚未探索的参数范围内的重力）具有重要意义。在这里，我们光学悬浮纳米粒子在激光束强烈聚焦在介电膜。通过研究被囚禁粒子在真空中的运动，我们映射出了粒子的位置依赖的光学势。我们干涉测量粒子和表面之间的距离，并表现出稳定的捕获在亚波长附近的电介质表面。我们的工作是重要的芯片上悬浮光学力学的发展，并在亚波长距离测量短程力。
2018-03-13 physics.optics
Switchable optical trapping of Mie-resonant phase-change nanoparticles
利用VO₂相变纳米颗粒的Mie共振随相态改变，通过调节捕获光强实现光力在吸引与排斥间的可逆切换，为动态光镊及光学分选等应用提供新途径。
2024-06-28 physics.optics
Multiplexed Single-Mode Wavelength-to-Time Mapping of Multimode Light
我们证明了基于锥形多芯光纤的光子灯笼提供了一种有效的方式将多模光态耦合到二维阵列的单光子雪崩探测器（SPAD），每个SPAD都有自己的时间-数字转换器（TDC）用于时间相关单光子计数（TCSPC）。利用这种能力，我们证明了多路复用单模波长到时间转换的多模状态的光使用多芯光纤光子灯笼与121单模核心，耦合在一个一对一的方式，以121 SPADS上的32 $\times$ 32像素CMOS SPAD阵列。以这种方式将多模光耦合到SPAD阵列的光子灯笼的应用可以在诸如拉曼光谱、相干激光雷达和量子光学的领域中找到广泛的应用。
2016-04-26 physics.optics
High-speed and high-resolution interrogation of FBG sensors using wavelength-to-time mapping and Gaussian filters
在这项工作中，我们报告了一种新的技术，同时高速和高分辨率的光纤布拉格光栅（FBG）传感器的询问。该方法利用色散介质中的波长-时间映射效应和一对强度高斯滤波器。通过两个滤波光栅光谱之间的振幅比较来检索布拉格波长，这两个滤波光栅光谱被映射到时域波形。以这种方式，测量失真所产生的剩余功率由于光栅旁瓣被完全避免，波长测量范围是相当大的扩展相对于先前提出的方案。我们提出了一个任意带宽的FBG的审讯的数学背景。在我们的概念验证实验中，我们实现了~20 pm的灵敏度，超快速率高达264 MHz。
2019-09-11 physics.ins-det physics.optics
Optimal binary gratings for multi-wavelength magneto-optical traps
本文针对双波长激光冷却中单一光学器件设计挑战，通过光学表征多种二元光栅，建立衍射效率与无量纲蚀刻深度及周期的经验拟合模型，避免了复杂3D计算，在宽参数范围内精度达百分之几，支持多波长光栅的知情设计。
2023-11-18 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Nonlinear imaging and 3D-mapping of terahertz fields with Kerr media
研究了太赫兹光场与光脉冲在大带隙介质（如金刚石）中的空间和时间分辨四波混频。我们表明，它是可能的，通过将空间信息编码成一个光信号，然后可以记录一个标准的CCD相机进行光束轮廓和空间-时间分辨映射的太赫兹场与亚波长太赫兹分辨率。
2013-03-23 physics.optics
Omnidirectional gradient force optical trapping in dielectric nanocavities by inverse design
针对无损耗波导耦合纳米结构难以在所有空间方向捕获亚波长粒子的难题，本文通过逆向设计集成介电纳米腔，提出一种仅依赖梯度力且与粒子尺寸无关的全向光捕获方法，实现了足以克服室温热涨落的深捕获势。
2024-09-27 physics.optics
Single atom in a superoscillatory optical trap
本文提出利用超振荡效应构建可连续调谐至亚波长尺度的光阱，实现单个超冷原子的捕获，为量子模拟、单分子化学及亚波长量子发射器阵列研究提供新手段。
2023-07-03 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Real-time spectral analysis of ultrafast pulses using a free-space angular chirp enhanced delay
频率-时间映射是观测光学中超快现象和非重复事件的一种强有力的技术。然而，许多光源在与标准频率到时间映射实现不兼容的波长区域或功率电平下操作。最近开发的自由空间角啁啾增强延迟（FACED）消除了许多这些限制，并提供了一个线性的频率到时间的映射在任何波长区域的高反射率镜和衍射光学。在这项工作中，我们提出了一个详细的配方的光学传递函数的FACED设备。实验上，我们验证了这个传递函数的属性，然后提出简单的指导方针，以保证正确的操作的FACED频率到时间的测量。我们还实验演示了使用该系统的飞秒和皮秒脉冲的实时光谱分析。
2019-05-14 physics.optics
In vacuum metasurface for optical microtrap array
本文提出用芯片级多功能超表面在真空中生成3×3静态光镊阵列，替代米级体光学元件，实现原子系综稳定捕获，并探讨低散射与双波长独立控制策略，推动紧凑便携量子器件发展。
2025-05-23 physics.atom-ph physics.optics
Pulsed single-photon spectrometer by frequency-to-time mapping using chirped fiber Bragg gratings
提出了一种基于频时映射、色散群延迟色散（GDD）和精确时间分辨单光子计数的光纤集成光谱仪。啁啾光纤布拉格光栅提供低损耗GDD，将输入脉冲的频率分布映射到输出脉冲的时间包络上。使用快速单光子计数模块的时间分辨检测能够监测825 nm至835 nm的波长范围，在55 pm分辨率下（24 GHz，830 nm）具有几乎均匀的效率。为了证明这种技术的多功能性，预示着单光子的光谱干涉和光子对源的联合光谱强度分布进行了测量。这种单光子级光谱测量的方法提供了一种在可见光和近红外波长实现时频量子光学应用的途径，其中必须同时监测多个光谱通道。
2017-07-29 physics.optics quant-ph
Calculation and optical measurement of laser trapping forces on non-spherical particles
光学捕获，其中微观粒子被捕获并通过光进行操纵，是一种强大且广泛的技术，其中单光束梯度阱（也称为光镊）用于大量生物和其他应用。作用在被捕获粒子上的力和扭矩是由从捕获光束到粒子的动量和角动量的转移引起的。尽管激光阱看起来很简单，在单个光束中有单个粒子，但精确计算作用在粒子上的光学力和扭矩是困难的。可以使用近似方法进行计算，但仅适用于其有效范围内，例如对于比捕获波长大得多或小得多的粒子，以及对于球形各向同性粒子。这留下了不幸的差距，因为波长尺度粒子具有很大的实际意义，因为它们容易且强烈地被捕获并用于探测有趣的微观和宏观现象，以及非球形或各向异性粒子，生物，晶体或其他，由于它们在自然界中频繁出现，以及旋转这些物体或控制或感测它们的取向的可能性。电磁散射理论的系统应用可以提供激光俘获的一般理论，弥补现有理论的不足。我们在这里提出的力和扭矩的计算从这个理论得到的捕获粒子和讨论可能的应用，包括力和扭矩的光学测量。
2003-08-29 physics.optics
High-Speed Multi-Dimensional Optical Field Measurement via MMF-MCF Spatial-Temporal Mapping Architecture
Optical Fundamental Research Center（湖北光学 fundamental 研究中心）
提出一种基于多模-多芯光纤离散时空采样架构的高维光场分析仪，结合残差多层感知器网络实现波长0.25 pm平均绝对误差和偏振0.2015分辨率，揭示了光场信息在光纤横截面上的冗余编码特性。
2026-06-05 physics.optics
Mapping standing-wave cavity modes with a commercial scanning near-field microscope tip
我们描述了一种方法来映射的驻波图案内的法布里-珀罗光学腔的亚波长分辨率通过扰动它与商业上可用的扫描近场光学显微镜（SNOM）的提示。该方法被应用到光纤法布里-珀罗微腔。我们证明了它的使用，以确定在两个不同的波长的波腹的相对位置。此外，我们使用的SNOM尖端作为一个点样源，允许精确定位的显微镜物镜相对于腔模式。
2019-11-12 physics.ins-det physics.optics quant-ph
Wavelength-Multiplexed 2D Beam Steering via a Passive Diffractive Network
Electrical and Computer Engineering Department, University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校电气与计算机工程系）；Bioengineering Department, University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校生物医学工程系）；California NanoSystems Institute (CNSI), University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所）
提出一种无源衍射光学网络，利用波长作为控制参数实现任意二维光束偏转，通过深度学习优化级联衍射层，数值和实验验证了625个波长通道的25x25偏转阵列，具有亚波长精度和高信道保真度。
2026-06-16 cs.CV cs.NE physics.app-ph
Optical Conformal Mapping and Dielectric Invisibility Devices
一个隐形装置应该引导光围绕一个物体，就好像什么都没有，不管光来自哪里。由于光的波动性质，理想的隐形装置是不可能的。本文提出了一种在几何光学精度范围内实现完美隐形的介质设计的一般方法。在这里，不可见性的缺陷可以任意小，以隐藏比波长大得多的物体。使用现代超材料，这种设备的实际演示似乎是可能的。这里开发的方法也可以应用于逃避其他形式的波，如声音的检测。
2006-02-14 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Lateral recoil optical forces on nanoparticles near nonreciprocal surfaces
我们研究了施加在纳米粒子上的横向反冲力，这些纳米粒子位于等离子体平台附近，具有面内非互易响应。为此，我们首先开发了一个全面的理论框架的基础上的洛伦兹力结合非互易格林函数的瑞利近似，然后推导出近似的解析表达式来模拟横向反冲力，证明其明确依赖于系统的色散关系，并揭示了管理它们的机制。特别是，一个占主导地位的横向反冲力分量出现由于平台支持的非互易表面等离子体的动量不平衡。这个力可以比其他反冲力分量大几个数量级，只沿着或逆着外部偏置的方向起作用，并且与入射平面波的方向、偏振和波长准独立。使用漂移偏置的石墨烯超颖表面，一个平台，也提出了排序纳米粒子作为其大小的函数，探讨了横向反冲力。非互易等离子体系统可以使新的场所捕获，绑定和操纵纳米粒子，并减轻传统光镊的一些挑战。
2022-12-16 cond-mat.mes-hall physics.optics
Wavelength-Multiplexed Nonlinear Computing with a Single-Layer Diffractive Optical Processor
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
本文提出一种波长复用的编码-解码衍射处理器，利用多波长照明在单层架构中实现大量非线性函数，无需级联或增加自由度，并通过数值模拟和实验验证了其可扩展性。
2026-09-16 physics.app-ph physics.optics
Control of particle trapping in a magnetoplasmonic nanopore
等离子体纳米孔作为单分子检测器被广泛研究。等离子体纳米孔技术的主要局限性是分子通过孔的过快移位速度和随之而来的非常短的分析时间，以及由于局部加热而可能的不稳定性。控制分子移位和实现更长采集时间的最有趣方法是有效捕获和调节可用于标记分子的纳米颗粒运动的能力。在这里，我们从理论上研究了磁等离子体纳米孔的性能，该纳米孔是用夹在两个金层之间的薄钴层制备的。然后将纳米孔与易位磁性纳米颗粒偶联。通过由外部磁场设置孔周围的钴层的磁性配置，可以产生纳米级磁性镊子以在特定点处捕获纳米颗粒。考虑到10 nm的磁铁矿纳米颗粒，我们计算的捕获力高达28 pN，一个数量级以上的力，可以获得与标准的光学或等离子体捕获方法。此外，磁力拉动纳米颗粒与等离子体纳米孔的壁紧密接触，从而使得能够形成包围深亚波长限制的电磁场的纳米腔，该电磁场在近红外波长处具有高达230的平均场强增强。所提出的混合磁等离子体系统指向一种策略，以改善基于纳米孔的生物传感器的单分子检测和潜在的各种生物分子的分析。
2021-02-02 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
A telecom-wavelength atomic quantum memory in optical fiber for heralded polarization qubits
基于光子的量子信息处理有望产生包括光学量子计算、量子密码学和分布式量子网络在内的新技术。电信波长的偏振编码光子为这些技术的实际实现提供了一个引人注目的平台。然而，尽管在构建与该平台兼容的基本组件方面取得了重要的成功，包括纠缠光子源、有效的单光子检测器和片上量子线路，但是缺少的元件是原子量子存储器，其直接允许在电信波长光子的偏振度中编码的量子态的可逆映射。在这里，我们展示了量子存储和检索的偏振态的预示单光子在电信波长通过实施原子频率梳协议在一个合奏的铒原子掺杂到光纤中。尽管在我们的原理证明演示中存在局限性，例如存储效率和存储时间小，但我们的宽带光物质接口揭示了在未来量子信息处理中使用的潜力。
2015-06-14 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
