霍曼轉移結構光束設計及微粒操縱（特邀）

李新忠，朱劉昊，樊海豪，魏文軍，馬鑫，秦雪云，胡華杰，臺玉萍

（河南科技大學物理工程學院，河南洛陽 471023）

0 引言

霍曼轉移是1925 年德國工程師WALTER Hohmann 博士推導出在兩條傾角相同、高度相異的圓形軌道間轉移衛星的最小能量方法［1］，在航天領域應用非常廣泛［2-3］。但其實微觀世界中也存在有軌道運動，且微觀運動是否可以適用霍曼轉移尚未經過探索。光鑷作為一種無接觸、無傷害的微操縱工具已經廣泛應用于微操縱領域，在細胞生物學［4-9］、材料組裝［10］、光物質相互作用物理和化學［11-12］等領域發揮著重要的作用。

1992 年ALLEN L 發現了軌道角動量［13］，這就直接賦予了光鑷一個橫向的扳手力。這個扳手力的來源就是光子繞著光軸旋轉所產生的軌道角動量。在對軌道角動量的研究中已經產生了許多應用，如2004 年KOSTA Ladavac 就提出使用光渦旋陣列組裝和驅動光機械泵［14］，2012 年WU Tao 提出光子驅動的微電機可以誘導神經纖維生長［15］，2015 年YAN Zijie 利用光鑷的相位梯度制備銀納米粒子的材料組裝［16］，2020 年，RODRIGO J A 通過定制光學推進力用于控制共振金納米粒子和相關的熱對流流體的傳輸［17］，之后2021 年他又提出使用全光控制金屬納米粒子，并可以自由的定制三維軌跡［18］。但不論光的結構被如何改變，由于軌道角動量的性質，其結構光束在具體的應用中都會使粒子始終沿著一個既定的軌道進行運動。而粒子的實時變軌運動則沒有被考慮。因此目前亟需一種與以往的單一軌道角動量相比具有更加豐富的模式可以同時存在多種不同軌道角動量并實時調控粒子運動軌道的光束。……