中科院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室姚保利研究小组多年前就已开展了光学微操纵技术的研究，先后掌握了激光光镊、飞秒激光光刀、显微光谱仪等核心技术，研发出了具有自主知识产权的激光光镊产品，并成功投放于市场。近期该研究小组又瞄准特殊光束及特殊微粒光学捕获力计算的理论问题进行了深入的研究，取得了一系列具有创新性的研究成果，先后在美国《光学快报》（Optics Letters）、美国《物理评论A》（Physical Review A）、《美国光学学会会志B》（J. Opt. Soc. Am. B）等国际一流学术刊物上发表相关论文5篇，得到了国外同行专家的认可和积极的评价。

 

光学捕获（Optical trapping）又称光镊（Optical tweezers）是一种新型的光学微操作技术。它将一束光用高数值孔径的物镜聚焦成微米级的光斑形成梯度来实现对微小粒子的捕获和移动。这项技术被广泛应用于各种微观领域的研究，如在生物和医学领域，它已成为深入研究活体细胞和生物大分子个体行为，探索生命运动规律的重要手段。普通光镊是用高斯光束对球形微小粒子的捕获，其在理论和实验上都已比较成熟。然而一些特殊的光场模式或非球形微粒的光学捕获表现出一些特殊的现象和行为，成为近年来光学捕获领域的一个新的研究热点。

 

姚保利研究小组在光学捕获理论研究方面取得的主要创新点如下：

 

1.提出了用CSPSW矢量势来描述径向极化的零阶拉盖尔-高斯光束，得到了具有简单数学形式的径向极化场各个分量，能精确满足麦克斯韦方程组。应用Lax微扰级数法，提出了五次方修正的径向极化拉盖尔-高斯光束(R-TEMn1)的精确描述方法。研究论文发表在美国《物理评论A》和《光学快报》上。国外同行专家评价指出“这个论题让光学界很有兴趣”，“他们给出了矢量势一个简洁明确的表达式，以此可以很容易地计算出场分布。他们将结果与五次方微扰展开方法得到的结果进行了比较，符合得非常好。”

 

2.提出了一种改进的T矩阵方法，能计算任意椭球体在聚焦高斯光场中的横向和轴向捕获力，克服了普通的T矩阵方法只能计算轴对称型粒子（如球体、圆柱、回旋椭球体等）的缺陷。提出了一种快速计算散射场的算法，比传统算法节省一倍的时间。研究论文发表在《美国光学学会会志B》上，国外同行专家评价指出“与多数关于球形粒子的研究工作相比，关于非球形粒子的工作比较少，用精确电磁场方法研究的也很少，而关于非旋转对称粒子如三轴椭球粒子所受的光学捕获力计算方面的研究则更为稀少。因此这篇文章对这方面的研究做出了很有价值的贡献。

 

3.用严格的电磁场理论证明了径向极化零阶拉盖尔-高斯光束只能改善大于一定尺寸粒子轴向捕捉效率。当粒子尺寸进入几何光学范围后，与国外同行用几何光学模型得到的结论完全相同，同时还给出了几何光学模型无法得到的一些结果，研究论文发表在《物理评论A》上。（来源：中科院西安光学精密机械研究所）