近日，物理科学与工程学院王占山教授和程鑫彬教授团队基于超构表面构建了片上三维光学操控平台，实现了颗粒在三维空间中的稳定捕获与可控转移，为颗粒的多维精密操控铺平了道路，在细胞工程和材料科学等领域具有巨大的应用潜力。相关研究成果以“Metasurface-enabled on-chip three-dimensional optical manipulation”为题发表于《ACS纳米》（ACS Nano），并入选封面文章。

细胞和颗粒的三维操控在再生科学、组织工程、纳米制造和生物物理学等领域具有重要意义。传统光镊系统体积庞大且依赖复杂光路，虽然具备高精度操控能力，但在小型化和集成化方面受到限制。近年来，超构表面凭借亚波长尺度光场调控能力，为片上光学操控提供了新途径。然而，现有超构表面光学操控研究主要集中于二维平面内的捕获与移动，尚未实现多自由度的三维操控，限制了其实际应用。

鉴于此，王占山和程鑫彬团队提出了一种基于传播相位和几何相位协同的双波长空间复用多功能超构表面，实现了片上三维光学操控。如图1所示，设计的超构表面能够对两个波长下的左旋光和右旋光独立调控，可以在空间中形成四个位置分离的焦点。通过调控入射光波长和偏振态，可以实现颗粒在焦点间的可控转移。

图1、基于超构表面的片上三维光操控平台

研究团队进一步完成了实验验证，如图2所示。通过对光学势阱刚度的测量，证明了该系统具备稳定可靠的捕获能力，可支持长时间、可重复的颗粒操控。在457 nm激光照射下，直径20 μm的聚苯乙烯微球可在x轴上的两个焦点之间稳定转移，实现约24.2 μm的横向位移。在532 nm激光照射下，微球可在上下焦点之间稳定转移，同时伴随y轴方向移动，实现约25.9 μm的横向位移和约90 μm的纵向位移。相比于传统光镊系统，该超构表面平台具有结构紧凑、集成度高的优势，可显著降低系统体积与复杂度。

图2、颗粒的稳定捕获与三维操控实验结果

该研究在紧凑超构表面平台上实现了颗粒的三维操控，为发展新一代片上集成光学操控系统提供了关键技术路径。未来，通过引入更多工作波长与光场操控自由度，该平台有望进一步实现更复杂、更连续、更大范围的颗粒与细胞多自由度操控，在单细胞定位、微结构组装及分层颗粒操控等方向发挥重要作用。

同济大学博士生张婧瑶、博士后冯超、助理教授何涛为论文共同第一作者，何涛助理教授、台湾成功大学吴品颉教授、同济大学施宇智教授、程鑫彬教授为论文共同通讯作者。对论文具有突出贡献的合作者还包括同济大学博士生黄海洋、台湾成功大学博士后Yu-Tsung Lin、同济大学博士生张晓东、朱静远助理教授、董思禹助理教授、魏泽勇副教授、清华大学宋清华副教授、同济大学王占山教授等。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.6c01194