近日，中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室研究員姚保利團隊在納米可控手性光場產生方面取得進展，相關研究成果在線發表於Nanoscale。
手性指的是一種物體在二維平面內無法通過任何平移和旋轉而與其鏡像重合的不對稱性，廣泛存在於自然界和生命體中。手性分子通常以左手（左旋）和右手（右旋）形式成對出現，稱之為手性異構體或對映體。儘管這兩種構型對映體具有除旋向以外的所有性質，但卻具有完全不同的生物活性、代謝過程以及毒理學特徵等。因此，手性物體的識別和分離研究一直是生物化學研究和工業應用領域的熱點課題。然而，通常用於表征物體的大多物理性質都與它的旋向性無關，只有當手性物體與其他手性物體相互作用時，才會發生旋向相關反應。
此外，手性不僅描述了三維物體的幾何特性，還描述了光場的固有屬性，即光場也可以是手性的，比如圓偏振光，具有左右旋形式的典型手性光場。一種常用的手性識別方法是圓二色性光譜法，根據對映體對手性探測光場不同手性的不同響應來探測分子手性。手性光場已被用來表征手性物體，並在對映體選擇性分離、手性傳感、非線性光譜成像等方面發揮著重要作用。近年來，諸如手性增強的超手性光場、具有局部手性的空間結構手性光學圖案、以及適用於特定需求的合成手性光場等手性光場的產生引起了研究者的極大興趣。然而，大多數研究仍需採用圓偏振光作為照明，並且所產生的手性光場只攜帶一種或局部兩種手性。
研究團隊理論研究了一類由徑向和角向偏振構成的剪裁矢量光束，提出利用兩個高數值孔徑物鏡組成的4pi顯微聚焦系統，實現同時攜帶兩種手性的手性光場的產生。通過矢量衍射積分計算該矢量光束經4pi聚焦後的焦場分布並分析其光學手性特徵，發現由於偏振特性，該聚焦矢量光束可以產生手性光場；並且如若只考慮聚焦場的軸向分量，可以產生光斑體積為l3/52（光斑直徑約l/6）的超解析度手性光場。進一步地，為了使產生的光場同時攜帶兩種手性，研究團隊利用由矢量衍射理論推導的解析方法代替常用的耗時且缺乏物理意義的疊代方法，設計了一種多相掩模板來對入射矢量光束進行相位調控，產生了同時攜帶兩種手性分布的1D、2D甚至3D的多光斑手性光場，光斑的位置、數量以及旋向均可通過多相掩模板進行任意調控。
該研究結果有望促進手性光場的應用，為納米尺度上的對映體選擇性分離、手性傳感以及手性微粒操縱提供了可能。
空間3D手性光場的產生。(a, b)加載在兩個入射矢量光束上的相位分布，(c, d)橫平面和軸平面的手性光場密度分布
來源：中國科學院西安光學精密機械研究所