近日，同济大学物理科学与工程学院王占山教授、程鑫彬教授团队的施宇智教授通过扫描全庞加莱球，发现横向光力的特殊性质，横向合力的最大值对应的光偏振态与颗粒大小及其折射率有关，且不一定位于之前认知的圆偏振处。相关研究成果“Mapping optical lateral forces on the Poincaré sphere”发表于《ACS光子学》（ACS Photonics）。
光携带动量，可以传递给物体并产生光力。横向光力（也称光横向力，optical lateral force，OLF）指的是垂直于光传播方向且与光的强度与相位梯度无关的光力。横向光力在纳米精确分选、手性对映选择性分离和微小动量探测方面具有重大的应用潜力。探究光的偏振如何影响横向光力，对于实现其应用至关重要。
横向光力通常包括来自Belinfante自旋动量（BSM）、虚坡印廷动量以及轨道动量的力。颗粒受到垂直于光传播方向的力的总和，既包括横向光力，也包括光梯度力和辐射压力，可称之为横向合力。当光的偏振变化时，各个分力的大小和方向将会出现不同的变化，横向合力的变化是所有力协同作用的结果。现有的研究往往强调其中一个最大的力，而忽略其他力的共同作用。
图1.在庞加莱球上绘制横向合力
研究使用聚焦成线形的椭圆偏振光束，作用在颗粒上产生横向合力。光的传播方向沿−z方向，我们所研究的横向合力是沿y方向的总光力。在光束左右两侧，BSM方向相反，导致横向合力方向相反（图1a）。庞加莱球上各点代表了不同的偏振态，整个庞加莱球球面可以表示所有的偏振态（图1b）。为分析横向合力的物理机制，将合力分解成来自BSM（pS）、坡印廷动量虚部[Im(P)]、横向能流[Re(P)]的力以及光梯度力（∇U）几部分。在半径为10 nm时，光梯度力在合力中占主导地位（图1c）。在半径为50 nm时，来自横向能流的力和BSM的力也起到重要贡献（图1d）。
图2.偶极理论计算的横向合力的分量
来自BSM（pS）和轨道动量[Re(P)]的横向合力，其最大值都位于圆偏振（图2b、图2c、图2d），但对应不同的左右手圆偏光。而光梯度力（∇U）的最大值位于椭圆偏振（图2a）处。这表明光梯度力，以及各个力相互作用是横向合力最大值出现在椭圆偏振的原因。
图3.不同尺寸和折射率颗粒的横向合力
由于横向合力的所有分量都与光偏振态和颗粒的电磁极化率有关，最大横向合力对应的偏振态受到颗粒大小及其折射率的影响。颗粒半径和折射率都很小时，光梯度力在横向合力中占比非常大，横向合力最大值对应的偏振态非常接近光梯度力最大值对应的偏振态，为椭圆偏振（图3a、图3c）。当颗粒半径增大时，来自BSM的力和横向能流力占比逐渐增大，导致最大横向合力对应的偏振态（φ-Fmax）先趋向270°，后趋向90°/450°（图3b）。研究表明，横向合力的变化主要是光梯度力，以及来自BSM的力和横向能流的力协同作用结果，三者的最大值对应于不同的偏振态。该研究展示了在光学操控中协同不同力的重要性，揭示了一种以全偏振方式利用光力的新颖方法，对深入探究光-物质相互作用提供了新思路。
同济大学程鑫彬教授、施宇智教授和博士后谢凌云为论文的通讯作者。同济大学博士研究生朱宇辰和中南大学熊莎副教授为论文的共同第一作者。其他具有突出贡献的作者还包括同济大学王占山教授、魏泽勇副教授、博士研究生赖成兴、陆澄锋、罗洪和本科生何玉江，清华大学宋清华副教授和台湾成功大学吴品颉副教授。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c00666
