CN105511069B - 一种操控共振金属纳米粒子运动方式的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种操控共振金属纳米粒子运动方式的方法。该装置由激光器、偏振转换器、空间光调制器、衍射光学元件、衰减片以及油浸透镜组成。该方法通过偏振转换器、空间光调制器和衍射光学元件生成空间位相复杂分布的角向偏振光场，并利用油浸透镜将该光场聚焦。处在焦场范围内的金属纳米粒子能够在光轴和径向方向获得平衡位置。通过改变空间光调制器加载位相的类型，粒子能够被固定在轴外或是绕着光轴旋转。粒子的运动轨迹也可以通过切换加载位相的方法实现灵活的调控。该方法克服了传统光镊技术中共振金属粒子所产生的强散射力和热效应对于操控稳定性的破坏，在一系列涉及光学操控的领域都有着重大的应用前景。

Description

一种操控共振金属纳米粒子运动方式的方法

技术领域

本发明涉及光镊领域，特别是光学捕获和光学微操控领域。

背景技术

Ashkin于1986年首次在实验中成功地利用一束紧聚焦的激光实现了对生物粒子的三维捕获和非接触性、无损活体的操作，这种被形象的称为光镊的技术已经从早期简单的操控发展为可用于标定光阱中粒子的受力和纳米尺度的位移等应用。光镊的出现，使得人们对微小粒子的研究行为从被动的观察转为主动的操控，为众多科学领域带来了革命性的创新。在早期的研究中，光镊主要被应用于两大尺度：亚纳米(原子、离子和分子的冷却)和微米(细胞)尺度。近年来，研究者们致力于发展出新颖技术来实现对介观物体诸如金属纳米粒子、碳纳米管和量子点等的稳固捕获。这些持续性的发展，使得光镊技术已经成为生物、物理化学和软物质物理研究中必不可少的工具。

涡旋光场是指一类具有螺旋相位波前或相位奇点的特殊光场，其相位在光场横截面上的分布可以被描述为其中表示方位角、m表示拓扑荷，每个光子携带的轨道角动量为拓扑荷m可以为任意的整数，代表在一个波长的传播距离内光场扭曲的次数。当涡旋光场与物质相互作用时，由于封闭物理体系内的角动量守恒定则，涡旋光场自身所携带的轨道角动量会转移给物质，造成物质在空间内的转动，这种特性也被广泛地应用于生物光镊和光学扳手等应用。

不同于介质粒子，金属纳米粒子的性质强烈地依赖于自身的尺寸，这一特点使得它在生物和电子等诸多领域有着重要的应用。例如，金属粒子的表面等离子体效应可以增强拉曼信号，从而实现对蛋白质、污染物和其他分子的无标记探测。共振条件下，金属粒子会产生极强的表面等离子体共振效应并释放极强的热辐射场，这对于拉曼技术和光热治疗技术都是非常有利的。然而，操控共振的金属纳米粒子仍面临巨大的挑战，这主要归因于两大方面。首先，当金属粒子处于共振条件时，诱导的散射力会随着极化率的增加而迅速增大，因此，强散射力会将粒子从焦点位置推开。其次，当金属粒子被共振激发时，入射光的能量会被粒子大量吸收，从而造成严重的热效，这也是阻碍实现共振金属纳米粒子的稳定操控的最根本障碍。

发明内容

发明目的：本发明提出了一种可在极端情况下工作的用于操控金属纳米粒子的装置和方法，用于解决现存的光镊技术中无法克服共振状态下的金属纳米粒子所产生的极强的散射力和热效应对于操控稳定性的破坏这一难题，并且可以对目标粒子的运动方式进行稳定且有效的控制。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种操控共振金属纳米粒子运动方式的装置，包括激光器、偏振转换器、空间光调制器、衍射光学元件、衰减片和油浸透镜；上述各元器件均沿激光器所发出的平行的入射光所在的光路上分布；所述偏振转换器的输出偏振态为角向偏振；所述衍射光学元件分为中央圆形区域和外部环形区域两部分，两区域的相位差为Δφ，交界处所对应的会聚角度为θ₀，衍射光学元件放置在油浸透镜的入射光瞳面处，且衍射光学元件的中心与其上的入射光斑的中心重合。这里相位差Δφ和会聚角度θ₀的具体取值需根据待操控的金属粒子的材料、尺寸以及激光波长的不同而定。角向偏振光在油浸透镜聚焦下的焦场分布可以根据理查德-沃尔夫矢量衍射理论计算(参考文献：Q.Zhan,Adv.Opt.Photon.1,1–57(2009).)。处于焦场内的纳米粒子所受光力可用偶极近似的方法计算。相位差Δφ和交界处所对应的会聚角度θ₀改变时，焦场的分布会相应改变，而光力的分布也会随之变化。这两个参数是以光镊系统的力稳定性为标准进行优化，而力稳定性则是用势阱深度来衡量。所涉及的光力分布和势阱深度的计算可参考文献(G.Rui and Q.Zhan,Nanophotonics 3,351–361(2014))。除了力稳定性之外，粒子的表面温度需要控制在临界温度以下，否则会在粒子所处的液体环境中产生气泡，从而破坏光镊系统的热稳定性。通过减弱入射光的功率，粒子的热效应能够被有效地抑制，但其力稳定性也会随之降低。因此，入射光的功率需要被精确地控制，才能同时满足粒子的力和热稳定性，所允许的最大入射功率的计算方法可参考文献(G.Ruiand Q.Zhan,Nanophotonics 3,351–361(2014))。

一种操控共振金属纳米粒子运动方式的方法如下：

a.将共振金属纳米粒子限制在特定横向平面内做圆周运动的方法，包括以下步骤：

步骤一、将激光器发出的平行的激光通过偏振转换器，生成角向偏振的光场；

步骤二、将空间光调制器的加载位相类型调整至涡旋态其中m为任意的整数，并将步骤一产生的角向偏振的光场通过空间光调制器，生成拓扑荷数为m的角向偏振涡旋光场。

步骤三、将步骤二生成的角向偏振涡旋光场垂直照射衍射光学元件，生成空间位相复杂分布的角向偏振涡旋光场，并利用衰减片将该光场的功率降低。

步骤四、利用油浸透镜将步骤三中降低功率后的光场聚焦，处于焦场范围内的金属纳米粒子在轴向和径向方向都存在平衡点，在角向方向则受到恒定光力的作用，因此将被限制在轴上的某个横向平面内绕着光轴旋转。

b.改变共振金属纳米粒子运动轨迹的方法，包括以下步骤：

步骤一、重复上述a方法的步骤一到步骤四，获得在特定横向平面内做圆周运动的共振金属纳米粒子。

步骤二、改变空间光调制器的加载位相大小，继而改变共振金属纳米粒子的运动轨迹。|m|越大，粒子做圆周运动的半径越大；|m|越小，粒子的旋转半径越小；m的正负影响到粒子的旋转方向为顺时针或逆时针。

c.将共振金属纳米粒子固定在光轴外的方法，包括以下步骤：

步骤一、将激光器发出的激光通过偏振转换器，生成角向偏振的光场；

步骤二、将空间光调制器的加载位相类型调整至正弦态其中，表示方位角，n表示正弦态的位相变化的周期数，将c方法中的步骤一产生的角向偏振光场通过空间光调制器。

步骤三、将c方法中步骤二生成的光场垂直照射衍射光学元件，生成空间位相复杂分布的角向偏振的非涡旋光场，并利用衰减片将该光场的功率降低。

步骤四、利用油浸透镜将c方法中步骤三生成的空间位相复杂分布的角向偏振的且功率降低的非涡旋光场聚焦，处于焦场范围内的金属纳米粒子在横向、径向和角向三个方向上都存在平衡点，因此将被固定在光轴外的特定位置上。

有益效果：

本发明提供的可操控共振金属纳米粒子运动方式的装置及方法在光学微操控以及与其相关的生物、电子、物理化学等领域有着巨大的应用前景。当光场与粒子发生相互作用时，会有两种不同类型的光力作用于粒子，分别是散射力和梯度力。梯度力的作用是将粒子拉回焦点，而散射力则会把粒子从焦点推开。若要实现对粒子的稳定控制，需要梯度力大于散射力。在传统的光镊技术中，随着激光的波长趋近于金属粒子的共振波长，散射力会迅速增大并超过梯度力，从而破坏光镊的稳定性。本专利中提到的方法是利用空间光调制器和衍射光学元件改变光场的空间相位分布，以对梯度力和散射力的分布进行有效调控，从而在轴上和径向方向产生平衡点。粒子在角向方向可能会存在平衡点，也有可能受到恒定的角向光力，这会使得粒子被固定在轴外的特定位置，或是以特定的半径绕着光轴旋转。粒子的这两种不同的运动方式取决于空间光调制器加载的相位类型为涡旋态或是正弦态。通过改变涡旋态的拓扑荷数m的正负和绝对值的大小，可以对粒子的旋转方向和圆周运动的半径进行调节。通过改变正弦态的位相变化的周期数n，可以对角向方向上粒子的平衡位置的数目进行控制。此外，由于在共振状态下金属纳米粒子的极化率很大，产生的光力也会显著地增大。因此，通过降低入射激光的功率，能够在维持粒子的力学稳定性的前提下，避免过热现象对于光镊的热学稳定性的破坏。

具体来说：

(1)本发明的功能性强。即便对于共振极端情况下的金属纳米粒子，也可以实现稳定的光学操控。不但能够在三维空间中的特定位置捕捉粒子，也可以使得粒子在特定的平面内绕着光轴做圆周运动，且运动方式和运动轨迹都是动态可调的。

(2)本发明的扩展性强。虽然本专利具体实施方式中以共振状态下浸没在水中的半径为50纳米的金粒子为例，但对于其他不同材料和尺寸的金属纳米颗粒，基于本专利提出的方法都可以实现在共振或者非共振波长下的稳定光学操控，本领域技术人员只需根据现有技术针对不同的情况对衍射光学元件进行优化设计即可。值得说明的是，如果是在空气中操控金属粒子，对油浸透镜的最大收集角度的要求可以适当放宽。

(3)本方法操控操作简便，灵活高效。通过改变空间光调制器的加载位相，可以改变目标粒子的运动方式和运动轨迹。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为空间光调制器加载涡旋位相为时粒子沿轴向所受的光力分布；

图3为空间光调制器加载涡旋位相为时粒子沿径向所受的光力分布；

图4为空间光调制器加载涡旋位相为时粒子沿角向所受的光力分布；

图5为空间光调制器加载涡旋位相为时粒子沿轴向所受的光力分布；

图6为空间光调制器加载涡旋位相为时粒子沿径向所受的光力分布；

图7为空间光调制器加载涡旋位相为时粒子沿角向所受的光力分布；

图8为空间光调制器加载正弦位相为时粒子沿轴向所受的光力分布；

图9为空间光调制器加载正弦位相为时粒子沿径向所受的光力分布；

图10为空间光调制器加载正弦位相为时粒子沿角向所受的光力分布。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种可操控共振金属纳米粒子运动方式的装置可分为激光器1、偏振转换器2、空间光调制器3、衍射光学元件4、衰减片5和油浸透镜6等六个部分；从激光器1发出的一束波长为532纳米的激光，经过偏振转换器2后被转变为角向偏振光，再经过空间光调制器3，透射光场为角向偏振的涡旋光场，或是位相在角向呈正弦变化的角向偏振的非涡旋光场，这取决于空间光调制器3的加载位相为涡旋态或是正弦态其中m和n分别为涡旋态的拓扑荷数和正弦态的位相变化的周期数，表示方位角。继而该光场通过衍射光学元件4，且光斑的中心与衍射光学元件4的中心重合。如图1虚线框中小图所示，衍射光学元件4由两个区域组成，其中交界处所对应的会聚角度θ₀为74°，中央圆形区域的相位调制函数为1，而外部的环形区域的相位调制函数为π。换句话说，从衍射光学元件4外侧和内侧区域透射的光场之间存在π的位相差。衍射光学元件4右侧的透射光场先是通过一个衰减片5将功率降低到26毫瓦，接着被一个亥姆霍兹型的油浸透镜即油浸透镜6所聚焦，该透镜的最大收集角度为89°。

对于浸没在水中的半径为50纳米的球形金粒子，吸收共振峰在532纳米附近。因此，当该粒子被波长为532纳米的激光照射时，散射力会迅速增大，并且粒子的表面温度会由于光热效应而急剧上升。本专利中提出的方法能够将原本破坏光镊稳定性的散射力的作用转变为有益于形成稳定的操控。同时，通过精准地控制入射功率，能够在保持粒子不过热的前提下依旧保持光镊的力学稳定性。以半径为50纳米的浸没在水中的球形金粒子为例，所允许的最大入射激光功率为26毫瓦。在此功率大小的激光照射下，粒子的表面温度不会超过临界温度(647开尔文)，同时，所产生的光力足够支持稳定的光学操控。

图2显示了当空间光调制器3加载涡旋位相为时粒子沿轴向z所受的光力分布。可见在焦点附近产生了负的散射力，表明此时散射力的作用不再是将粒子朝着远离光源的方向推开，而是将粒子拉回至焦点。同时，散射力和梯度力的叠加在光轴上产生了平衡点，位置为z＝-0.54λ，这里λ为光的波长。

图3显示了当空间光调制器3加载涡旋位相为时粒子沿径向r所受的光力分布。可见粒子在径向方向上存在平衡点，位置为r＝0.31λ，这里λ为光的波长。

图4显示了当空间光调制器3加载涡旋位相为时粒子沿角向所受的光力分布。可见粒子在角向方向上受到恒定正光力的作用。

结合图2到图4，可见当空间光调制器3加载涡旋位相为时，粒子将在轴上特定的横向平面内(z＝-0.54λ)绕着光轴做半径为0.31λ的圆周运动。

图5显示了当空间光调制器3加载涡旋位相为时粒子沿轴向z所受的光力分布。可见粒子在轴上存在平衡点，位置为z＝0.03λ，这里λ为光的波长。

图6显示了当空间光调制器3加载涡旋位相为时粒子沿径向r所受的光力分布。可见粒子在径向方向上存在平衡点，位置为r＝0.52λ，这里λ为光的波长。

图7显示了当空间光调制器3加载涡旋位相为时粒子沿角向所受的光力分布。可见粒子在角向方向上受到恒定负光力的作用。

结合图5到图7，可见当空间光调制器3加载涡旋位相为时，粒子将在轴上特定的横向平面内(z＝0.03λ)绕着光轴做半径为0.52λ的圆周运动。与图2到图4所示的结果相比，粒子的圆周运动的半径增大，且旋转方向相反。

图8显示了当空间光调制器3加载正弦位相为时粒子沿轴向z所受的光力分布。可见粒子在轴上存在平衡点。

图9显示了当空间光调制器3加载正弦位相为时粒子沿径向r所受的光力分布。可见粒子在径向方向上存在平衡点。

图10显示了当空间光调制器3加载正弦位相为时粒子沿角向所受的光力分布。与图2到图7的结果相比，这种类型的加载相位使得粒子在角向的受力不再恒定，并且会在角向方向上产生4个平衡点，且平衡点的数目与所加载的正弦态的位相变化的周期数n＝4相同。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种操控共振金属纳米粒子运动方式的方法，其特征在于：顺序执行以下步骤实现将共振金属纳米粒子限制在特定横向平面内做圆周运动：

步骤1、将激光器(1)发出的平行的激光通过偏振转换器(2)，生成角向偏振的光场；

步骤2、将空间光调制器(3)的加载位相类型调整至涡旋态其中表示方位角，m表示拓扑荷且为任意的整数；将步骤1产生的角向偏振的光场通过空间光调制器(3)，生成拓扑荷数为m的角向偏振涡旋光场；

步骤3、将步骤2生成的角向偏振涡旋光场垂直照射衍射光学元件(4)，生成空间位相复杂分布的角向偏振涡旋光场，并利用衰减片(5)将该光场的功率降低；

步骤4、利用油浸透镜(6)将步骤3中降低功率后的光场聚焦。

2.根据权利要求1所述的一种操控共振金属纳米粒子运动方式的方法，其特征在于：顺序执行以下步骤实现改变共振金属纳米粒子运动轨迹：

步骤I、重复步骤1到步骤4，获得在特定横向平面内做圆周运动的共振金属纳米粒子；

步骤II、改变空间光调制器(3)的加载位相大小，继而改变共振金属纳米粒子的运动轨迹：|m|越大，共振金属纳米粒子做圆周运动的半径越大；|m|越小，粒子的旋转半径越小；改变m的正负，则改变共振金属纳米粒子的旋转方向。

3.一种操控共振金属纳米粒子运动方式的方法，其特征在于：顺序执行以下步骤实现将共振金属纳米粒子固定在光轴外：

步骤i、将激光器(1)发出的激光通过偏振转换器(2)，生成角向偏振的光场；

步骤ii、将空间光调制器(3)的加载位相类型调整至正弦态其中，表示方位角，n表示正弦态的位相变化的周期数，将步骤i产生的角向偏振光场通过空间光调制器(3)；

步骤iii、将步骤ii生成的光场垂直照射衍射光学元件(4)，生成空间位相复杂分布的角向偏振的非涡旋光场，并利用衰减片(5)将该光场的功率降低；

步骤iv、利用油浸透镜(6)将步骤iii中降低功率后的光场聚焦。