光之牵引：探秘微纳尺度超长程光拉力操控技术

——纤细的纳米光纤之上，一个微小的液滴正在光拉力作用下逆重力而上，演绎着光与物质相互作用下的奇妙之舞。这不再是科幻场景，而是前沿光学实验室中的真实景象。1619年，天文学家约翰尼斯·开普勒在观察彗星时注意到，彗星的尾巴总是背向太阳，猜想可能是太阳光产生了某种推力（图1）。于是，他提出了一个大胆的设想：光或许具有辐射压力，能够推动宇宙中的物质[1]。这一开创性思想开启了人类对光压的探索之旅，但当时很少有人会想到，光不仅能推动物体，竟还能拉动它们。

图1 开普勒光压设想的起源[1]

01 反直觉的发现：光拉力

在开普勒提出光压概念后的近四百年间，科学界普遍认为，光只能推动物体沿着其传播方向运动。这一认知基于一个简单的逻辑——光子携带着动量，当它们撞击物体时，会将动量传递给物体，从而产生推力。然而，科学探索的魅力就在于不断挑战常识。1973年，贝尔实验室的亚瑟·阿什金等人在实验中观察到了一个令人费解的现象。当他们将激光束照射在液体表面时，液体表面不是如预期那样被压下去，而是向上凸起——仿佛被某种无形的力量向上拉扯（图2）[2]。这一反直觉的现象，首次演示了光不仅能够推动物体，还能够将其拉回。众所周知，阿什金后来因光镊及其在生物系统中的应用工作获得了2018年诺贝尔物理学奖，他的早期研究也为光拉力的探索埋下了种子。

图2阿什金首次实验观测到光拉力[2]

近二十年来，随着纳米技术和光子学的发展，研究人员提出并演示了多种利用光产生拉力的方法：通过使用结构光束、特殊设计的微纳结构或者非均匀背景介质，调控光与物质相互作用中的光子动量传递，使得光经过物体以后前向动量得以放大，对物体施加光拉力（图3）[3]。然而，这些方法常常受到光学衍射效应的限制，就像手电筒的光束随传播距离增大而发散一样，单光束的传输光场难以在长作用距离内一直保持原有的形状和强度，因此无法持续提供产生光拉力所需的光动量。在光拉力操控中，这意味着光拉力只能维持在极短的距离内——此前实验报道的最长作用距离仅为0.2mm[4]，单光束长程光拉力操控仍面临挑战。

图3基于前向光动量放大产生光拉力[3]

02 突破限制：基于纳米光纤光动量调控实现单光束长程光拉力

针对长程光拉力产生的技术挑战，最近，浙江大学郭欣、童利民教授团队提出了一种基于超细纳米光纤的微液滴光力操控结构，通过调控纳米光纤传输光场的光子动量，产生超长程光拉力。什么是纳米光纤？它是一种直径接近或小于传输光真空波长的波导结构，通常只有几十至几百纳米（约为人头发丝直径的百分之一），通常由高温拉伸标准光纤制得（图4a,b）。以典型的氧化硅纳米光纤为例，它具有亚波长直径、原子级的表面光滑度以及较大的纤芯-包层折射率差，光沿着其传输时很大一部分能量能够以倏逝场的形式存在（图4c）[5,6]，即光被约束在其表面附近空间低损耗传输，可被视为一种长程无衍射的贝塞尔光束，有望用于长程光力学操控。

图4（a）纳米光纤的光学显微镜和（b）电镜照片；（c）纳米光纤的传输光场分布[5,6]

光何以既能推又拉？其背后的物理机制在于光子动量的交换。纳米光纤的传输光场经过微液滴时，作用于微液滴的轴向光力取决于介质（纳米光纤与空气）与微液滴之间的光子动量交换。对于该类多个介质界面之间的光子动量交换，光子动量表现为闵可夫斯基动量的形式，即光子动量大小与所在介质的折射率成正比。以直径D = 400nm的氧化硅纳米光纤为例：当输入光波长λ0 = 980nm时，传输光场主要分布于高折射率纤芯内，有效模场直径远小于微液滴尺寸。光场经过微液滴后，进入低折射率空气中的光子数增加，等效于前向光场动量减小（图5a,b）。根据动量守恒定律，作用于微液滴的光力表现为沿光纤轴向的推力。当输入光波长λ0 = 1550nm时，传输光场的能量主要分布于纤芯外部空气中，有效模场直径与微液滴尺寸相当，经过微液滴后，进入高折射率纤芯内的光子数增加，等效于前向光场动量增大，从而基于动量守恒获得反作用于微液滴的光拉力（图5c,d）。理论计算表明，对于氧化硅纳米光纤，当光纤直径与输入光波长比D/λ0 < 1/3时，作用于微液滴的光力表现为拉力；当D/λ0 > 1/3时，光力表现为推力。

图5 纳米光纤-微液滴光力操控结构的光动量交换机制[7]

基于上述光动量交换机制，研究团队利用微纳操作技术将硅油微液滴（直径20μm）精准地转移至氧化硅纳米光纤（直径370nm）上，构建了全光纤结构的纳米光纤-微液滴光力操控系统。这一系统的巧妙之处在于，它无需复杂的光学元件或精确的激光对准，仅通过改变纳米光纤输入光的波长，即可实现光推力与光拉力模式的灵活切换（见视频1），显著提升了单光束操控微粒的灵活性和自由度。视频1光推力与光拉力模式切换以微液滴作为载体，还可对其内部掺杂的固体微粒进行光拉力操控（见视频2），拓宽了被操控物体的种类。想象一下，在一根极细的“光之轨道”上，微液滴在单光束的光力驱动下，可以向前推进，也可以被向后拉动，最终能够将其内部的颗粒运送至指定位置处。视频2基于纳米光纤-微液滴的微粒输运03 超长程光拉力操控得益于纳米光纤的超低传输损耗、大比例倏逝场等传输特性，纳米光纤的传输光场可视为一种超长程无衍射的贝塞尔光束。这种特殊的传输光场能够在长距离内维持稳定的光子动量交换，从而可以显著增加光拉力的有效作用距离。为验证这一理论设想，研究团队利用高精度纳米光纤制备系统，制备出直径325nm、长度40cm的超长超细低损耗纳米光纤，构建了微液滴超长程光拉力系统。在1552nm波长连续光拉力作用下，附着于纳米光纤一端的直径45μm的微液滴沿着纳米光纤的运动距离长达40cm（见视频3），与过去报道单光束光拉力的作用距离相比实现了三个数量级的提升。这相当于在微观世界里，纳米光纤的传输光场为微液滴铺设了一条反向光轨，使其完成了宏观尺度的长途旅行。视频3 超长程光拉力04 挑战重力：竖直光拉力这种超长程光拉力还可拓展至竖直方向，对微液滴进行竖直拉升，为光力操控提供了更多的自由度。在竖直向下输入的1552nm波长连续光驱动下，通过光力、微液滴重力以及粘性阻力的协同作用，可控制微液滴向上、向下运动或悬停（见视频4）。这一场景犹如微观世界的“拔河比赛”：一方是试图将微液滴向下拉的重力，另一方则是试图将其向上拉的光拉力。视频4 竖直光拉力05 总结与展望：光拉力操控的未来回顾这段跨越四百年的科学探索，从开普勒仰望星空萌生的光压猜想，阿什金实验观察到的液面凸起，到如今超长程光拉力操控技术的发展，人类对光之力量的认知和理解不断深化。这项研究利用纳米光纤-微液滴系统中传输光场的闵可夫斯基光子动量调控，实现了微观物体的超长程光拉力操控，作用距离长达40cm，远超过去报道的单光束光拉力的作用距离。其核心突破在于，他们巧妙地利用纳米光纤这一独特的“光轨”，将光牢牢地约束在其表面附近空间低损耗传输，规避了困扰长程光拉力操控多年的衍射难题。这种基于纳米光纤导模光场的光拉力操控无需自由空间光束对准，通过改变传输光的波长和功率可以在微液滴操控中灵活切换运动方向、调控运动速度。此外，纳米光纤中的光传输方向还可以通过弯曲纳米光纤进行改变，可为微液滴操控增加更多的空间自由度。总的来说，该研究不仅为理解光力操控过程中的光动量调控提供了新视角，也为实现单光束长程光拉力提出了新途径，在纳米光子学、光力学、生物光子学和光流控等领域具有潜在应用前景。从开普勒观测彗尾的设想，到如今在实验室中驾驭光流、牵引万物，科学研究的故事再一次告诉我们，那些最初源于好奇的大胆设想，终将穿越时空，在技术的奇点上绽放出改变世界的力量。光，作为宇宙中最熟悉的存在，依然蕴藏着无限的未知，等待我们前去探索与驾驭。

参考文献[1] Kepler J. De CometisLibelli Tres[M]. AvgvstaeVindelicorvm, 1619.[2] Ashkin A, Dziedzic J M. Radiation pressure on a free liquid surface[J]. Physical Review Letters, 1973, 30(4): 139-142.[3] Sáenz J J. Laser tractor beams[J]. Nature Photonics, 2011, 5(9): 514-515.[4] Kajorndejnukul V, Ding W Q, Sukhov S et al. Linear momentum increase and negative optical forces at dielectric interface[J]. Nature Photonics, 2013, 7(10): 787-790.[5] Tong L, Lou J, Ye Z et al. Self-modulated taper drawing of silica nanowires[J]. Nanotechnology, 2005, 16(9): 1445-1448.[6] Tong L M, Zi F, Guo X et al. Optical microfibers and nanofibers: a tutorial[J]. Optics Communications, 2012, 285(23): 4641-4647.[7] Zhang J B, Liu K, Wang P et al. Ultra-long-range optical pulling with an optical nanofibre[J]. Nature Communications, 2025, 16(1): 7424.

       原文标题 : 科普征文 | 光之牵引：探秘微纳尺度超长程光拉力操控技术