周期是自然界最具特色的构建方式，比如原子的周期排列形成晶体，进而才有了半导体。周期排列的光学介质形成光子晶体，也具有非常优异的传输特性。我们在微纳周期光子结构中发现了一种特殊的光力，即自诱导反作用光学牵引力。 基于光力效应的光操控技术在生物、纳米、量子等领域具有重要的价值。

图1： (a) 周期微结构中的自准直传输模式被物体散射时的光场分布。(b) 沿光轴方向光场的轮廓曲线，其中物体位于自诱导的负梯度区域。(c)和(d)为物体处于不同中心位置时局部的光强分布轮廓。

我们提出了一种新奇的反向光操控机制，极大冲击了人们对光力和光操控物理机理的固有认识。光力是对微纳尺度物体进行灵活操控的最有效手段之一，已在生物、纳米、量子以及分子原理物理等众多领域获得了广泛应用。当光照射物体时，不仅能够对其产生前向的辐射光压；在特殊条件下也能产生反常规的光学牵引力。但是，人们一直认为只有散射力才可能对物体实现这一反常规牵引操控。而该研究却打破了人们的这一固有认识，利用梯度光力（而非散射光力）对物体实现了这一操控。其基本原理在于系统中引入了周期晶格，而该晶格支持一种特殊的布洛赫模，即自准直模。当该模式与物体发生作用时，物体能够对其产生很强的自诱导反作用，从而使物体陷在自身所形成的负梯度区域，进而实现长距离反向操控。这一新发现不仅对光操控的理论研究有重要影响，也为新型光操控技术的发展提供了一个新的方向。该研究相关成果发表在Phys. Rev. Lett. 120, 123901 (2018)。

光学微马达的研究对于光学微机械的研究至关重要，关乎光学微机械研究的进展与应用前景。传统的实现光致旋转的方法主要有两种：一是通过带有轨道/自旋角动量的光束照射到微机械结构物体上实现旋转；第二种是通过利用各向异性、手性或者非对称的结构，在分布不均匀光力的作用下产生旋转效应。而我们提出利用光场线动量与微环结构，可以实现高效率、大力矩的光学马达。

图2：(a)利用光场角动量使物体转动的基本原理。(b) 利用线动量与微环结合实现大力矩光学马达的原理图。(c) 光学结构的参数分布。

将微纳光学转子与圆形光学环形腔相耦合。通过两个平行波导结构将光场耦合输入和输出环形波导结构。当信号光与环形腔发生共振时，光场线动量的方向反转，因此能够产生力矩作用。由于共振效应，使得光力的产生效率极高；同时，通过调整环腔的几何尺寸，可以灵活的调整力臂的大小，因此利用该方法能够实现大力矩的光学转动效应，能够驱动微马达的高效转动。相关研究结果发表于Scientific Reports 8, 2819 (2018)。

光场的动量属性是人们长期重点关注的基本科学问题之一，由动量交换产生的光力和光操控在多场合中都具有重要应用，包括光镊，激光冷却等。目前，人们对该领域的研究都是在均匀背景介质(比如真空/空气、水溶液等)，或者简单的光学界面上(水-空气、水-金属、以及水-电介质等界面)开展。在这一类介质中，光场的色散曲面在动量空间呈圆形，因而限制了光场动量的调控自由度。我们提出，在人为构造的结构化介质中，可以使光场的色散曲线呈现与自由空间中完全不同、甚至对偶互补的特殊形状，从而改变光的动量特性，产生新奇的光力和光操控效应，如下图所示。该研究从根本上为光场动量、以及光力光操控研究提供了一个全新的视角，开辟了一个新的研究方向，具有重要学术价值和实际意义。

在该研究中，我们以实现反常光学牵引力为例展开。根据动量守恒，为了实现光学牵引力，必须使入射光场沿传播方向的动量增加。为此，在通常的自由空间中，必须利用特殊设计的结构化光束作为入射光场，使其动量沿离轴方向，然后经过物体的散射后将其重新定向到轴向，才有可能实现光场的动量放大。图 (a)和(b) 分别在实空间和动量空间中显示该原理。从中可以看出，这种对入射光场的特殊苛刻要求完全来源于光场动量的圆形拓扑结构，或者更普遍来讲是凸面形拓扑结构。

基于此，如果我们构造出与之对偶的凹面形动量拓扑结构，就可以得到沿轴向传播的平面波具有最小的动量，而向其它方向散射的光场都具有更大的轴向动量分量，如图(c) 和 (d) 所示。在对偶介质中，平面波入射到物体上自然而然的会产生负向光压，即光学牵引力。这是一种非常有趣的介质，因为在该介质中所有光场动量相关的现象都与均匀空间中相反。

图3：基于动量拓扑调控的光学牵引力产生原理分析。(a) 在通常研究的普通光学介质中，入射光必须经过复杂设计，使其具有较大的离轴波矢分量，而散射后产生更大的轴向动量，才能在物体上产生负向光力。(b) 为该散射过程的动量空间分析，散射后的轴向波矢分量(绿色)明显大于入射光的轴向动量。(c) 在我们设计的特殊光子结构中，入射光为普通轴向平面波，而散射光沿离轴方向传播。但由于该介质特殊的动量拓扑结构，离轴传播时反而具有更大的轴向动量分量。(d) 为该散射过程的动量空间分析。沿轴向入射的平面波具有很小的轴向动量，而散射后的离轴传播模式具有很大的轴向动量分量，因此光场轴向动量增加，在物体上产生负向散射光力。

基于这一原理，我们利用周期结构中布洛赫模动量拓扑与结构参数之间的关系，构造了一种特殊的硅基光子晶体，得到了所需要的凹面形色散特性，并从数值模拟和理论解析等不同途径系统研究了其中的光学牵引力效应及其变化规律。

该研究成果已在物理学权威期刊Physical Review Letters上。

此外，我们还研究了周期中的布洛赫模不仅能够实现光学牵引力，还可以极大增强光捕获和双向输运性能，相关结果已发表在Optics Letters上。

手性介质颗粒所受的光学横向力，即光力与传播方向垂直，在手性药物分析中具有极其重要的价值和意义。针对手性药物分选这一迫切需要解决的难题，我们在该方向深入研究，发现了手性颗粒横向光力的反转效应，及时修正了人们在该方向长期持有的一些错误认识。

早在多年前，人们在研究手性颗粒所受的横向光力时，发现横向光力的方向由手性唯一决定，无论是采用偶极近似得到的结果，还是几何光学模型中得到的结果都符合这一结论。于是，长期以来人们坚定的认为横向光力与手性的一一对应关系，并基于此提出了手性药物颗粒的光学分选方案。

然而，如下图所示，我们在研究中间尺度—不是偶极近似中远小于波长的尺度、也不是几何光学中远大于波长的尺度，而是与波长相比拟的尺度—手性颗粒的横向光力时，发现了与之矛盾的新现象。如图(b) 所示，在中间尺度下，横向光力的方向随入射角发生反转。图 (c-d) 所示，在s/p偏振照射下，手性颗粒的横向光力大小和方向随颗粒尺寸的变化关系。明显看出，在某些入射角时横向光力方向发生周期性反转。

图4：手性颗粒横向光力随各个参数的反转和变化关系。(a) 界面上不同手性颗粒在线偏振光照射下所受横向光力。(b) 横向光力随颗粒半径及偏振方向的变化关系。(c) s偏振情况下，横向光力随大小及入射角变化。(d) s偏振情况下，横向光力随大小及入射角变化。

这些结果表明，手性颗粒所受光学横向力，不仅随手性的符号变化，还与颗粒的尺寸、入射角大小，以及入射光的偏振方向相关。其本质物理原因在于颗粒中同时激发出的多种模式，以及模式之间的干涉效应。这一结论改变了人们以往所持有的“横向力的方向与颗粒手性一一对应”错误观念，为人们深入研究和利用横向光力提供了坚实的理论基础。

该研究成果发表在著名光学期刊Light-Science & Applications上。

横向力的方向和大小取决于手性颗粒中激发的不同模式，及其之间的相互叠加。我们在该方向进行了深入研究，深刻揭示了多极效应、手性耦合以及横向光力之间的复杂关系，为更灵活的光力光操控提供了重要理论支撑。如图5(a) 所示，在单个手性纳米圆柱颗粒中，根据颗粒的大小不同，可以同时激发不同的模式。System 1中激发两个动量相反的TD模，而System 2中激发处ES，MS以及ES三个模式。通过圆柱高宽比、手性参数以及入射角的扫描发现，在共振条件下，其横向光力急剧增强，如图5(b - d) 所示。当共振作用时，横向光力的增强可以有波印亭矢量的分布，如图5(e, f)所示。

该研究成果2020年发表在物理学权威期刊Physical Review Letters上。

图5: 手性微纳圆柱颗粒在空气-水界面上的多模激发、干涉、以及增强横向光力。(a)界面上手性介质圆柱受光照射示意图，s偏振，入射角为θ。当圆柱长度和半径不同时 (System1和Systems2)，两个不同的多极模被激发。其中TD: toroidal dipole，ES: electric sextupole，MS: magnetic sextupole. (b)两个具有相反动量的TD模在圆柱 (Systems1) 的上部和下部形成；以及两个ES和一个MS模式同时形成。(c)光力随着宽高比以及入射角的变化关系 (System1)。(d) 不同的和入射角情况下，ES和MS模式的叠加。横向力Fy在两个共振模式处有极大增强。(e) System1在y-z平面的波印亭矢量分布显示出受到负的横向光力。(f) System2在y-z平面的波印亭矢量分别显示出受到正的横向光力