一種操控共振金屬納米粒子運動方式的裝置和方法
【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明涉及光鑷領域，特別是光學捕獲和光學微操控領域。
【背景技術】
[0002] Ashkin于1986年首次在實驗中成功地利用一束緊聚焦的激光實現(xiàn)了對生物粒子 的三維捕獲和非接觸性、無損活體的操作，這種被形象的稱為光鑷的技術已經(jīng)從早期簡單 的操控發(fā)展為可用于標定光阱中粒子的受力和納米尺度的位移等應用。光鑷的出現(xiàn)，使得 人們對微小粒子的研究行為從被動的觀察轉(zhuǎn)為主動的操控，為眾多科學領域帶來了革命性 的創(chuàng)新。在早期的研究中，光鑷主要被應用于兩大尺度:亞納米(原子、離子和分子的冷卻） 和微米(細胞)尺度。近年來，研究者們致力于發(fā)展出新穎技術來實現(xiàn)對介觀物體諸如金屬 納米粒子、碳納米管和量子點等的穩(wěn)固捕獲。這些持續(xù)性的發(fā)展，使得光鑷技術已經(jīng)成為生 物、物理化學和軟物質(zhì)物理研究中必不可少的工具。
[0003] 禍旋光場是指一類具有螺旋相位波前或相位奇點的特殊光場，其相位在光場橫截 面上的分布可以被描述為e>cp(/〃印)，其中f表示方位角、 m表示拓撲荷，每個光子攜帶的軌道 角動量為揪力.〇拓撲荷111可以為任意的整數(shù)，代表在一個波長的傳播距離內(nèi)光場扭曲的次數(shù)。 當渦旋光場與物質(zhì)相互作用時，由于封閉物理體系內(nèi)的角動量守恒定則，渦旋光場自身所 攜帶的軌道角動量會轉(zhuǎn)移給物質(zhì)，造成物質(zhì)在空間內(nèi)的轉(zhuǎn)動，這種特性也被廣泛地應用于 生物光鑷和光學扳手等應用。
[0004] 不同于介質(zhì)粒子，金屬納米粒子的性質(zhì)強烈地依賴于自身的尺寸，這一特點使得 它在生物和電子等諸多領域有著重要的應用。例如，金屬粒子的表面等離子體效應可以增 強拉曼信號，從而實現(xiàn)對蛋白質(zhì)、污染物和其他分子的無標記探測。共振條件下，金屬粒子 會產(chǎn)生極強的表面等離子體共振效應并釋放極強的熱輻射場，這對于拉曼技術和光熱治療 技術都是非常有利的。然而，操控共振的金屬納米粒子仍面臨巨大的挑戰(zhàn)，這主要歸因于兩 大方面。首先，當金屬粒子處于共振條件時，誘導的散射力會隨著極化率的增加而迅速增 大，因此，強散射力會將粒子從焦點位置推開。其次，當金屬粒子被共振激發(fā)時，入射光的能 量會被粒子大量吸收，從而造成嚴重的熱效，這也是阻礙實現(xiàn)共振金屬納米粒子的穩(wěn)定操 控的最根本障礙。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的:本發(fā)明提出了一種可在極端情況下工作的用于操控金屬納米粒子的裝 置和方法，用于解決現(xiàn)存的光鑷技術中無法克服共振狀態(tài)下的金屬納米粒子所產(chǎn)生的極強 的散射力和熱效應對于操控穩(wěn)定性的破壞這一難題，并且可以對目標粒子的運動方式進行 穩(wěn)定且有效的控制。
[0006] 技術方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：
[0007] -種操控共振金屬納米粒子運動方式的裝置，包括激光器、偏振轉(zhuǎn)換器、空間光調(diào) 制器、衍射光學元件、衰減片和油浸透鏡;上述各元器件均沿激光器所發(fā)出的平行的入射光 所在的光路上分布;所述偏振轉(zhuǎn)換器的輸出偏振態(tài)為角向偏振;所述衍射光學元件分為中 央圓形區(qū)域和外部環(huán)形區(qū)域兩部分，兩區(qū)域的相位差為Α Φ，交界處所對應的會聚角度為 θ〇,衍射光學元件放置在油浸透鏡的入射光瞳面處，且衍射光學元件的中心與其上的入射 光斑的中心重合。這里相位差Α Φ和會聚角度θ〇的具體取值需根據(jù)待操控的金屬粒子的材 料、尺寸以及激光波長的不同而定。角向偏振光在油浸透鏡聚焦下的焦場分布可以根據(jù)理 查德-沃爾夫矢量衍射理論計算(參考文獻:Q. Zhan，Adv. Opt. Photon. 1，1 -57 (2009).)。處 于焦場內(nèi)的納米粒子所受光力可用偶極近似的方法計算。相位差Α Φ和交界處所對應的會 聚角度θ〇改變時，焦場的分布會相應改變，而光力的分布也會隨之變化。這兩個參數(shù)是以光 鑷系統(tǒng)的力穩(wěn)定性為標準進行優(yōu)化，而力穩(wěn)定性則是用勢阱深度來衡量。所涉及的光力分 布和勢阱深度的計算可參考文獻(G.Rui and Q.Zhan,Nanophotonics 3,351-361(2014))〇 除了力穩(wěn)定性之外，粒子的表面溫度需要控制在臨界溫度以下，否則會在粒子所處的液體 環(huán)境中產(chǎn)生氣泡，從而破壞光鑷系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。通過減弱入射光的功率，粒子的熱效應能 夠被有效地抑制，但其力穩(wěn)定性也會隨之降低。因此，入射光的功率需要被精確地控制，才 能同時滿足粒子的力和熱穩(wěn)定性，所允許的最大入射功率的計算方法可參考文獻(G.Rui and Q.Zhan,Nanophotonics 3,351-361(2014))〇
[0008] -種操控共振金屬納米粒子運動方式的方法如下：
[0009] a.將共振金屬納米粒子限制在特定橫向平面內(nèi)做圓周運動的方法，包括以下步 驟：
[0010] 步驟一、將激光器發(fā)出的平行的激光通過偏振轉(zhuǎn)換器，生成角向偏振的光場；
[0011] 步驟二、將空間光調(diào)制器的加載位相類型調(diào)整至渦旋態(tài)exp(//;吵)，其中m為任意的 整數(shù)，并將步驟一產(chǎn)生的角向偏振的光場通過空間光調(diào)制器，生成拓撲荷數(shù)為m的角向偏振 禍旋光場。
[0012] 步驟三、將步驟二生成的角向偏振渦旋光場垂直照射衍射光學元件，生成空間位 相復雜分布的角向偏振渦旋光場，并利用衰減片將該光場的功率降低。
[0013] 步驟四、利用油浸透鏡將步驟三中降低功率后的光場聚焦，處于焦場范圍內(nèi)的金 屬納米粒子在軸向和徑向方向都存在平衡點，在角向方向則受到恒定光力的作用，因此將 被限制在軸上的某個橫向平面內(nèi)繞著光軸旋轉(zhuǎn)。
[0014] b.改變共振金屬納米粒子運動軌跡的方法，包括以下步驟：
[0015] 步驟一、重復上述a方法的步驟一到步驟四，獲得在特定橫向平面內(nèi)做圓周運動的 共振金屬納米粒子。
[0016] 步驟二、改變空間光調(diào)制器的加載位相大小，繼而改變共振金屬納米粒子的運動 軌跡。I m |越大，粒子做圓周運動的半徑越大；| m |越小，粒子的旋轉(zhuǎn)半徑越小;m的正負影響 到粒子的旋轉(zhuǎn)方向為順時針或逆時針。
[0017] c.將共振金屬納米粒子固定在光軸外的方法，包括以下步驟：
[0018] 步驟一、將激光器發(fā)出的激光通過偏振轉(zhuǎn)換器，生成角向偏振的光場；
[0019] 步驟二、將空間光調(diào)制器的加載位相類型調(diào)整至正弦態(tài)exp[/.v/,'?(-小其中J表示 方位角，η表示正弦態(tài)的位相變化的周期數(shù)，將c方法中的步驟一產(chǎn)生的角向偏振光場通過 空間光調(diào)制器。
[0020] 步驟三、將C方法中步驟二生成的光場垂直照射衍射光學元件，生成空間位相復雜 分布的角向偏振的非渦旋光場，并利用衰減片將該光場的功率降低。
[0021]步驟四、利用油浸透鏡將c方法中步驟三生成的空間位相復雜分布的角向偏振的 且功率降低的非渦旋光場聚焦，處于焦場范圍內(nèi)的金屬納米粒子在橫向、徑向和角向三個 方向上都存在平衡點，因此將被固定在光軸外的特定位置上。
[0022] 有益效果：
[0023]本發(fā)明提供的可操控共振金屬納米粒子運動方式的裝置及方法在光學微操控以 及與其相關的生物、電子、物理化學等領域有著巨大的應用前景。當光場與粒子發(fā)生相互作 用時，會有兩種不同類型的光力作用于粒子，分別是散射力和梯度力。梯度力的作用是將粒 子拉回焦點，而散射力則會把粒子從焦點推開。若要實現(xiàn)對粒子的穩(wěn)定控制，需要梯度力大 于散射力。在傳統(tǒng)的光鑷技術中，隨著激光的波長趨近于金屬粒子的共振波長，散射力會迅 速增大并超過梯度力，從而破壞光鑷的穩(wěn)定性。本專利中提到的方法是利用空間光調(diào)制器 和衍射光學元件改變光場的空間相位分布，以對梯度力和散射力的分布進行有效調(diào)控，從 而在軸上和徑向方向產(chǎn)生平衡點。粒子在角向方向可能會存在平衡點，也有可能受到恒定 的角向光力，這會使得粒子被固定在軸外的特定位置，或是以特定的半徑繞著光軸旋轉(zhuǎn)。粒 子的這兩種不同的運動方式取決于空間光調(diào)制器加載的相位類型為渦旋態(tài)或是正弦態(tài)。通 過改變渦旋態(tài)的拓撲荷數(shù)m的正負和絕對值的大小，可以對粒子的旋轉(zhuǎn)方向和圓周運動的 半徑進行調(diào)節(jié)。通過改變正弦態(tài)的位相變化的周期數(shù)n，可以對角向方向上粒子的平衡位置 的數(shù)目進行控制。此外，由于在共振狀態(tài)下金屬納米粒子的極化率很大，產(chǎn)生的光力也會顯 著地增大。因此，通過降低入射激光的功率，能夠在維持粒子的力學穩(wěn)定性的前提下，避免 過熱現(xiàn)象對于光鑷的熱學穩(wěn)定性的破壞。
[0024] 具體來說：
[0025] (1)本發(fā)明的功能性強。即便對于共振極端情況下的金屬納米粒子，也可以實現(xiàn)穩(wěn) 定的光學操控。不但能夠在三維空間中的特定位置捕捉粒子，也可以使得粒子在特定的平 面內(nèi)繞著光軸做圓周運動，且運動方式和運動軌跡都是動態(tài)可調(diào)的。
[0026] (2)本發(fā)明的擴展性強。雖然本專利【具體實施方式】中以共振狀態(tài)下浸沒在水中的 半徑為50納米的金粒子為例，但對于其他不同材料和尺寸的金屬納米顆粒，基于本專利提 出的方法都可以實現(xiàn)在共振或者非共振波長下的穩(wěn)定光學操控，本領域技術人員只需根據(jù) 現(xiàn)有技術針對不同的情況對衍射光學元件進行優(yōu)化設計即可。值得說明的是，如果是在空 氣中操控金屬粒子，對油浸透鏡的最大收集角度的要求可以適當放寬。
[0027] (3)本方法操控操作簡便，靈活高效。通過改變空間光調(diào)制器的加載位相，可以改 變目標粒子的運動方式和運動軌跡。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明裝置的結(jié)構示意圖；
[0029] 圖2為空間光調(diào)制器加載渦旋位相為exp(/>)時粒子沿軸向所受的光力分布；
[0030] 圖3為