近日，西安光機(jī)所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室姚保利研究員團(tuán)隊(duì)在納米可控手性光場產(chǎn)生方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Generation of controllable chiral optical fields by vector beams”為題，在線發(fā)表在國際著名期刊《Nanoscale》（IF6.90）上，標(biāo)志著我所在光場調(diào)控基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的工作和成果得到了國際同行的關(guān)注和認(rèn)可。

手性，指的是一種物體在二維平面內(nèi)無法通過任何平移和旋轉(zhuǎn)而與其鏡像重合的不對稱性，廣泛存在于自然界和生命體中。手性分子通常以左手（左旋）和右手（右旋）形式成對出現(xiàn)，稱之為手性異構(gòu)體或?qū)τ丑w。

盡管這兩種構(gòu)型對映體具有除旋向以外的所有性質(zhì)，但卻具有完全不同的生物活性、代謝過程以及毒理學(xué)特征等。因此，手性物體的識別和分離研究一直是生物化學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。然而，通常用于表征物體的大多物理性質(zhì)都與它的旋向性無關(guān)，只有當(dāng)手性物體與其它手性物體相互作用時(shí)，才會發(fā)生旋向相關(guān)反應(yīng)。

空間3D手性光場的產(chǎn)生。(a, b)加載在兩個(gè)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。

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(jù)對映體對手性探測光場不同手性的不同響應(yīng)來探測分子手性。

手性光場已被用來表征手性物體，并在對映體選擇性分離、手性傳感、非線性光譜成像等方面發(fā)揮著重要作用。近年來，諸如手性增強(qiáng)的超手性光場、具有局部手性的空間結(jié)構(gòu)手性光學(xué)圖案、以及適用于特定需求的合成手性光場等手性光場的產(chǎn)生引起了國內(nèi)外研究者的極大興趣。然而，大多數(shù)研究仍需采用圓偏振光作為照明，并且所產(chǎn)生的手性光場只攜帶一種或局部兩種手性。

研究團(tuán)隊(duì)理論研究了一類由徑向和角向偏振構(gòu)成的剪裁矢量光束，提出利用兩個(gè)高數(shù)值孔徑物鏡組成的4pi顯微聚焦系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)攜帶兩種手性的手性光場的產(chǎn)生。通過矢量衍射積分計(jì)算該矢量光束經(jīng)4pi聚焦后的焦場分布并分析其光學(xué)手性特征，發(fā)現(xiàn)由于偏振特性，該聚焦矢量光束可以產(chǎn)生手性光場；并且如若只考慮聚焦場的軸向分量，可以產(chǎn)生光斑體積為l3/52（光斑直徑約l/6）的超分辨率手性光場。

進(jìn)一步，為了使產(chǎn)生的光場同時(shí)攜帶兩種手性，研究團(tuán)隊(duì)利用由矢量衍射理論推導(dǎo)的解析方法代替常用的耗時(shí)且缺乏物理意義的迭代方法，設(shè)計(jì)了一種多相掩模板來對入射矢量光束進(jìn)行相位調(diào)控，產(chǎn)生了同時(shí)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(shù)量以及旋向均可通過多相掩模板進(jìn)行任意調(diào)控。該研究結(jié)果將促進(jìn)手性光場的應(yīng)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。