创新点：西湖大学仇旻教授课题组提出通过在微纳光纤中输入脉冲激光，利用光吸收引起的弹性波，最终实现在非液体环境下，驱动微米级金平板产生平面内的旋转运动。同时通过数值模拟研究潜在的物理机制，阐释梯度分布的光吸收和平板两翼的不对称性对平面内旋转的关键作用。

关键词：Laser & Photonics Reviews, 多物理场耦合，光-热-弹性波转换，光致驱动，西湖大学仇旻课题组

图1. a. 实验表征：光学显微镜下微型金平板随时间变化做平面内旋转；

b. 数值模拟：基于光-热-弹性波转换实现光致面内旋转的物理机制。

在传统光驱动的概念中，当光与微纳物体相互作用时，光波携带的动量可以通过散射或吸收的方式转移到物体上，从而使物体运动。其中，线性动量的传递会产生推拉式的光力，而角动量的传递则会产生力矩，导致物体旋转。通过应用这一技术，光驱动在生物操纵检测、微流控、粒子输送等领域成为高效的工具，充分发挥其高精度、即时性、微型化等优点。

通过上述动量传递的方式产生的光力约为皮牛量级，故依赖光力操作物体一般都在液体或者悬浮在真空环境中，以消除两个物体接触时的粘附力（微牛量级）。从而，也使得在非悬浮条件下，利用光力来操控物体变得更加困难。

2019年，西湖大学仇旻教授课题组针对上述限制，提出基于光致弹性波驱动微纳物体围绕光纤做旋转运动 (Science Advances 5. 3 (2019))。此后，研究人员对这一微纳系统中的驱动模式进一步研究，2021年首次全面揭示了在驱动过程中弹性波与摩擦力协同作用的物理机制，并展示了微型金片沿着光纤做螺旋形运动的过程 (Light: Science & Applications 10, 193 (2021))。与光波类似，弹性波也携带动量，在相同功率下，由弹性波在被驱动物体内产生的内力比光力大了5~6个数量级，能够克服物体间的粘附力。基于之前的研究，本次工作以微纳光纤为接触媒介，在微纳光纤中输入脉冲激光，粘附在光纤侧壁的微型金平板吸收微纳光纤倏逝场的能量，转换成热，引起金平板的晶格振荡，激发弹性波，可驱动金平板做面内旋转运动。通过显微镜观察，就像“微型风扇”的叶片围绕定轴在做面内旋转。该工作结合实验和数值模拟的研究手段，详细表征和阐释了金平板发生平面内旋转的多物理场耦合机制。相关结果以“Light-Induced In-Plane Rotation of Microobjects on Microfibers”为题发表在Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.202100561)上。西湖大学博士生吕未为第一作者，西湖大学唐伟伟博士、严巍副研究员和仇旻教授为论文共同通讯作者。

研究人员通过实验证明了金平板在微纳光纤上完成平面内旋转的可行性，在数值模拟的分析中，揭示了平面内旋转的潜在机制，其中金平板对光吸收的梯度空间分布和金平板被微纳光纤分割两翼的结构不对称性，二者的协同作用是促成金平板平面内运动的关键。实验和理论相结合的分析，为非液体环境下对微型物体的光致驱动提供了新的见解，同时，梯度分布的光吸收作为关键影响因素，为微纳尺度的光驱动控制提供了新的自由度。

我们相信，该研究结果在很多领域都有重要的应用。如通过对激发光以及结构的设计，激发特定的弹性波，可实现多种模态的运动，在未来的集成光电子芯片中有着重要的应用。在后续研究中，研究人员在平面衬底上设计波导结构，预期在片上实现并联合应用微纳物体的多种光致驱动模态，对传输的光信号进行多样化调制。

论文信息：

Light-Induced In-Plane Rotation of Microobjects on Microfibers

Wei Lyu, Weiwei Tang*, Wei Yan*, and Min Qiu*

Laser & Photonics Reviews

DOI: 10.1002/lpor.202100561

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