CN110444314B - 一种基于石墨烯的光操控系统及光操控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的光操控系统，包括处于目标位置的目标颗粒以及波束发生装置；目标颗粒呈核壳结构，包括核层石墨烯以及壳层石墨烯；波束发生装置用于产生一阶贝塞尔波束照射目标颗粒使得核层石墨烯以及壳层石墨烯各自的电偶极模式与电四极模式耦合形成法诺共振，以向目标颗粒施加指向波束发生装置的光拉力，向波束发生装置移动目标颗粒。通过一阶贝塞尔波束的照射，可以促进前向散射同时抑制后向散射，从而得到较大的负光力，实现将目标颗粒沿指向波束发生装置方向拉动颗粒移动，缩短波束发生装置与目标颗粒之间的距离，实现目标颗粒的移动。本发明还提供了一种光操控方法，同样具有上述有益效果。

Description

一种基于石墨烯的光操控系统及光操控方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种基于石墨烯的光操控系统及一种基于石墨烯的光操控方法。

背景技术

光力，主要分为梯度力和散射力，在微纳颗粒的操控方面发挥了很重要的作用。1986年，Ashkin等人用一束强聚焦的高斯光束成功捕获了介电颗粒，其原理是利用梯度场引发的梯度力将颗粒稳定在光束中心，并可以通过移动光束来移动颗粒，这项技术被称为光镊或光阱。此后，光镊就开始作为一个强有力的光学工具，在生物科学，化学以及原子物理等方面具有非常重要的应用。后续的研究表明，颗粒不仅可以被梯度力操控，也可以被散射力操控。

在现阶段，波束通常仅能在光束照射范围内固定颗粒，或者是向远离波束发生装置方向推动颗粒移动，而无法将颗粒向指向波束发生装置方向拉动颗粒移动，缩短波束发生装置与颗粒之间的距离，从而无法通过光束自由的移动颗粒。所以如何提供一种基于光操控系统以及方法是本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于石墨烯的光操控系统，可以使目标颗粒沿指向波束发生装置方向移动；本发明的另一目的在于提供一种基于石墨烯的光操控方法，可以使目标颗粒沿指向波束发生装置方向移动。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于石墨烯的光操控系统，包括处于目标位置的目标颗粒以及波束发生装置；

所述目标颗粒呈核壳结构，所述目标颗粒包括呈球状包裹第一介质的核层石墨烯、包裹所述核层石墨烯的第二介质以及包裹所述第二介质的壳层石墨烯；

所述波束发生装置用于产生一阶贝塞尔波束照射所述目标颗粒，使所述核层石墨烯的电偶极模式与所述核层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以及所述壳层石墨烯的电偶极模式与所述壳层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以向所述目标颗粒施加指向所述波束发生装置的光拉力，向所述波束发生装置移动所述目标颗粒。

可选的，所述波束发生装置还用于：

产生一阶贝塞尔波束照射所述目标颗粒，使所述核层石墨烯的电偶极模式与所述壳层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以向所述目标颗粒施加背向所述波束发生装置的光推力，向远离所述波束发生装置的方向移动所述目标颗粒。

可选的，还包括供电装置，所述供电装置用于：

向所述目标颗粒施加预设电压，以调整所述目标颗粒的费米能级。

可选的，所述供电装置具体用于：

向所述目标颗粒施加预设电压，以增加所述目标颗粒的费米能级。

可选的，所述目标颗粒位于介电常数等于1.33²的水中。

可选的，所述第一介质的介电常数以及所述第二介质的介电常数均等于1.5。

本发明还提供了一种基于石墨烯的光操控方法，包括：

将呈核壳结构的目标颗粒置于目标位置；所述目标颗粒包括呈球状包裹第一介质的核层石墨烯、包裹所述核层石墨烯的第二介质以及包裹所述第二介质的壳层石墨烯；

通过波束发生装置产生一阶贝塞尔波束照射所述目标颗粒，使所述核层石墨烯的电偶极模式与所述核层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以及所述壳层石墨烯的电偶极模式与所述壳层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以向所述目标颗粒施加指向所述波束发生装置的光拉力，向所述波束发生装置移动所述目标颗粒。

可选的，在所述将呈核壳结构的目标颗粒置于介质中之后，所述方法还包括：

通过所述波束发生装置产生一阶贝塞尔波束照射所述目标颗粒，使所述核层石墨烯的电偶极模式与所述壳层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以向所述目标颗粒施加背向所述波束发生装置的光推力，向远离所述波束发生装置的方向移动所述目标颗粒。

可选的，在所述呈核壳结构的目标颗粒置于介质中之后，所述方法还包括：

通过供电装置向所述目标颗粒施加预设电压，以调整所述目标颗粒的费米能级。

可选的，所述通过供电装置向所述目标颗粒施加预设电压，以调整所述目标颗粒的费米能级包括：

通过供电装置向所述目标颗粒施加预设电压，以增加所述目标颗粒的费米能级。

本发明所提供的一种基于石墨烯的光操控系统，包括处于目标位置的目标颗粒以及波束发生装置；目标颗粒呈核壳结构，目标颗粒包括呈球状包裹第一介质的核层石墨烯、包裹核层石墨烯的第二介质、以及包裹第二介质的壳层石墨烯；波束发生装置用于产生一阶贝塞尔波束照射目标颗粒，使核层石墨烯的电偶极模式与核层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以及壳层石墨烯的电偶极模式与壳层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以向目标颗粒施加指向波束发生装置的光拉力，向波束发生装置移动目标颗粒。上述系统通过产生一阶贝塞尔波束的照射，使得核层石墨烯以及壳层石墨烯各自的电偶极模式与电四极模式耦合形成法诺共振，可以促进前向散射同时抑制后向散射，从而得到较大的负光力，实现将目标颗粒沿指向波束发生装置方向拉动颗粒移动，缩短波束发生装置与目标颗粒之间的距离，实现目标颗粒的移动。

本发明还提供一种基于石墨烯的光操控方法，同样具有上述有益效果，在此不再进行赘述。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种基于光拉力的颗粒移动系统的结构示意图；

图2为图1中目标颗粒的结构示意图；

图3为光力随着第一范围内核壳比η的变化以及波长变化关系图；

图4为η＝0.5时消光效率与波长的变化关系图；

图5为光力随着第二范围内核壳比η的变化以及波长变化关系图；

图6为η＝0.8时消光效率与波长的变化关系图；

图7为核壳比η＝0.6时不同共振模式下散射截面的分布图；

图8为核壳比η＝0.999时光力随费米能级和波长的变化关系；

图9为核壳比η＝0.999时消光效率随费米能级和波长的变化关系；

图10为径向光力F_r和纵向光散射力F_z与目标颗粒中心远离光轴的位移d的变化关系图；

图11为本发明实施例所提供的一种基于光拉力的颗粒移动方法的流程图；

图12为本发明实施例所提供的一种具体的基于光拉力的颗粒移动方法的流程图；

图13为本发明实施例所提供的另一种具体的基于光拉力的颗粒移动方法的流程图。

图中：1.目标颗粒、11.核层石墨烯、12.壳层石墨烯、2.波束发生装置。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种基于石墨烯的光操控系统。在现有技术中，通常是通过光镊技术将颗粒固定在波束中心，然后通过移动波束发生装置的方式移动颗粒，即此时颗粒与波束发生装置之间的距离不会主动发生改变，从而无法灵活的移动颗粒。

而本发明所提供的一种基于石墨烯的光操控系统，包括处于目标位置的目标颗粒以及波束发生装置；目标颗粒呈核壳结构，目标颗粒包括呈球状包裹第一介质的核层石墨烯、包裹核层石墨烯的第二介质、以及包裹第二介质的壳层石墨烯；波束发生装置用于产生一阶贝塞尔波束照射目标颗粒，使核层石墨烯的电偶极模式与核层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以及壳层石墨烯的电偶极模式与壳层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以向目标颗粒施加指向波束发生装置的光拉力，向波束发生装置移动目标颗粒。上述系统通过产生一阶贝塞尔波束的照射，使得核层石墨烯以及壳层石墨烯各自的电偶极模式与电四极模式耦合形成法诺共振，可以促进前向散射同时抑制后向散射，从而得到较大的负光力，实现将目标颗粒沿指向波束发生装置方向拉动颗粒移动，缩短波束发生装置与目标颗粒之间的距离，实现目标颗粒的移动。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图2，图3，图4，图5以及图6，图1为本发明实施例所提供的一种基于石墨烯的光操控系统的结构示意图；图2为图1中目标颗粒的结构示意图；图3为第光力随着第一范围内核壳比η的变化以及波长变化关系图；图4为η＝0.5时消光效率与波长的变化关系图；图5为光力随着第二范围内核壳比η的变化以及波长变化关系图；图6为η＝0.8时消光效率与波长的变化关系图。

参见图1，在本发明实施例中，所述光操控系统包括处于目标位置的目标颗粒1以及波束发生装置2；所述目标颗粒1呈核壳结构，所述目标颗粒1包括呈球状包裹第一介质的核层石墨烯11、包裹所述核层石墨烯11的第二介质、以及包裹所述第二介质的壳层石墨烯12；所述波束发生装置2用于产生一阶贝塞尔波束照射所述目标颗粒1，使所述核层石墨烯11的电偶极模式与所述核层石墨烯11的电四极模式耦合形成法诺共振，以及所述壳层石墨烯12的电偶极模式与所述壳层石墨烯12的电四极模式耦合形成法诺共振，以向所述目标颗粒1施加指向所述波束发生装置2的光拉力，向所述波束发生装置2移动所述目标颗粒1。

上述目标颗粒1处于目标位置，而上述波束发生装置2所产生的光束会照射至目标位置，以移动目标颗粒1。上述目标颗粒1呈核壳结构，且该目标颗粒1整体是由石墨烯构成；上述呈核壳结构的目标颗粒1包括呈球状的核层石墨烯11，相应的壳层石墨烯12通常也成球状。具体的，上述核层石墨烯11包裹第一介质，第二介质包裹核层石墨烯11，壳层石墨烯12包裹第二介质；上述核层石墨烯11以及壳层石墨烯12通过第二介质相互分离。

石墨烯作为一种新型的具有蜂窝状晶格的二维薄碳层，当石墨烯表面电导率的虚部为正时，将导致其介电常数的实部为负，这个时候石墨烯表现出“金属”材料的性质。与金或银等贵金属的表面等离激元相比，石墨烯具有低损耗，出色的电子传输性质，和载流子密度可以通过外加电压或者化学势来调节等优点。

上述波束发生装置2用于产生一阶贝塞尔波束，该一阶贝塞尔波束具有在传播方向上无梯度、无衍射、非傍轴等特点，经常用作牵引光束以实现负光力，适合应用于光操控系统。有关一阶贝塞尔波束的具体形貌可以参考现有技术，在此不再进行赘述。上述波束发生装置2产生的一阶贝塞尔波束会照射至上述目标颗粒1。通过控制一阶贝塞尔波束的波长，可以使一阶贝塞尔波束在照射目标颗粒1时产生表面等离激元现象，实现等离激元共振，利用等离激元共振实现了同一结构中的法诺散射，即Fano散射；通过该Fano共振可以增强前向散射的特点，获得了光拉力，以通过光拉力使目标颗粒1沿指向波束发生装置2方向移动。

具体的，上述一阶贝塞尔波束在照射至呈核壳结构的目标颗粒1时，在满足预设波长条件下，可以使核层石墨烯11的电偶极模式与其电四级模式相互耦合产生法诺共振，以及壳层石墨烯12的电偶极模式与其电四极模式耦合形成法诺共振。需要说明的是，当上述核层石墨烯11与壳层石墨烯12之间的强相互作用，可以在短波长处使目标颗粒1中各层石墨烯各自的电偶极模式与电四级模式相耦合产生法诺共振，该法诺共振可以促进一阶贝塞尔波束在照射到目标颗粒1后的前向散射，同时抑制后向散射，从而得到较大的负光力，即光拉力。该光拉力会作用在目标颗粒1，从而牵引目标颗粒1向波束发生装置2移动。相应的，正光力即光推力，该光推力会将目标颗粒1推离波束发生装置2。

参见图2，上述一阶贝塞尔波束的波长具体与目标颗粒1的核壳比η＝a/b有关，其中η为目标颗粒1的核壳比，a为核层介电球11的半径，b为所述目标颗粒的半径。在本发明实施例中，可以具体限制所述目标颗粒12的半径b＝8μm，所述核层石墨烯11内材质，即第一介质的介电常数等于1.5；所述核层石墨烯11与所述壳层石墨烯12之间材质，即第二介质的介电常数等于1.5；目标颗粒1处于介电常数等于1.33²的水中。即核层石墨烯11内材质的介电常数ε₁＝1.5；核层石墨烯11与壳层石墨烯12之间材质的介电常数ε₂＝1.5；壳层石墨烯12外侧材质的介电常数ε_h＝1.33²。此外，在本发明实施例中石墨烯的弛豫时间τ通常等于1.2ps，即τ＝1.2ps；入射目标颗粒1的一阶贝塞尔波束的极化方式为c₁＝1以及c₂＝2。其中，c₁代表TE波，c₂代表TM波，均为一阶贝塞尔波束中的参数，通过这些参数可以调节波束的场强分布。

在本发明实施例中可以首先固定目标颗粒1的尺寸b＝8um，即壳层石墨烯12的位置，之后通过调整核壳比η来确定核层石墨烯11的位置，以调控作用在目标颗粒1上的光力。参见图3以及图4，图3中横坐标为入射一阶贝塞尔波束的波长，纵坐标为沿射一阶贝塞尔波束传播方向的受力。当值小于0时，该目标颗粒1在对应波长的一阶贝塞尔波束的照射下产生负光力，即光拉力。图4为图3中η＝0.5时，消光效率与波长的变化关系图；其中横坐标为入射一阶贝塞尔波束的波长，纵坐标为消光效率；其费米能级E_F＝1eV。

从图3中可以看出，当核壳比η＝0.2时，核层石墨烯11引起的短波长处的等离激元共振，与壳层石墨烯12引起的长波长处的等离激元的共振相距较远，核层石墨烯11几乎不会影响壳层石墨烯12表面等离激元的共振。此时，在入射波长λ＝60μm附近产生了负光力，这是由于壳层石墨烯12的电偶级模式和电四级模式相互耦合产生了法诺共振，从而引诱负光力的产生。

随着η增加，核层石墨烯11的等离激元共振位置以及壳层石墨烯12的等离激元共振位置都产生红移，但短波长处等离激元共振移动较快，并逐渐靠近长波长处等离激元的共振，等离激元相互作用增强，导致了更加复杂的光力行为。当η＝0.4时，在两个波段范围内都出现了负光力。当η＝0.5时，在波长λ＝40μm的位置有一个负光力，在波长λ＝60μm的位置出现了一个极大的正光力，而此时长波长范围内等离激元共振引起的的负光力几乎消失了。

从图4中可以看出，在短波长处，核层石墨烯11表面等离激元共振中，电偶极模式与电四极模式耦合形成法诺共振，诱导了负光力的产生。在长波长处，核层石墨烯11的电偶极模式与壳层石墨烯12的电四极模式紧密耦合产生的法诺共振，诱导了极大正光力的产生。然而此时，壳层石墨烯12的电偶级模式与电四级模式相互作用减弱，没有导致强烈的法诺散射，因此此时的负光力非常明显地减小了。

参见图5以及图6，与图3相类似，图5中横坐标为入射一阶贝塞尔波束的波长，纵坐标为沿射一阶贝塞尔波束传播方向的受力。与图4相类似，图6为图4中η＝0.8时，消光效率与波长的变化关系图；其中横坐标为入射一阶贝塞尔波束的波长，纵坐标为消光效率；其费米能级E_F＝1eV。

参见图3以及图5，继续随着η的增加，核层石墨烯11引起的电偶极模式与壳层石墨烯12引起的电四级模式耦合的强度出现先增大后减小的趋势。当η＝0.6时，核层石墨烯11引起的电偶极模式与壳层石墨烯12引起的电四级模式耦合的强度最大，出现了极大的正光力，且比壳层石墨烯12的偶级共振引起的正光力增强数倍，与此同时，短波长处核层石墨烯11的电偶极模式与电四极模式紧密耦合产生的法诺共振诱导的负光力增强了，而长波长处的负光力消失了。当η继续增加时，短波长处核层石墨烯11的电偶极模式与电四极模式耦合的法诺共振诱导的负光力持续增强，然而核层石墨烯11与壳层石墨烯12共同作用产生的法诺共振引起的正光力却变小了。

从图6中可以看出，当η＝0.8时，短波长处核层石墨烯11的电偶极模式与电四级模式耦合得到增强，且产生了强烈的法诺共振，导致了巨大的负光力，而此时长波长处壳层石墨烯12的电四级模式与电偶极模式都减小且相距较远，没有产生法诺共振，因此长波长处的负光力消失了。而核层石墨烯11的电偶极模式与壳层石墨烯12的电四级模式相互作用产生的法诺共振减弱，因此对应的正光力变小。

继续从图5中可以看出，随着η进一步增大，核层石墨烯11与壳层石墨烯12靠的越来越近，相互作用已经没有正光力了，几乎全部的等离激元共振重叠，强烈的电偶极模式和电四级模式耦合导致了剧烈的法诺共振，从而诱导了较大的负光力。

本发明实施例所提供的一种基于石墨烯的光操控系统，包括处于目标位置的目标颗粒1以及波束发生装置2；目标颗粒1呈核壳结构，目标颗粒1包括呈球状包裹第一介质的核层石墨烯11，包裹核层石墨烯11的第二介质、以及包裹第二介质的壳层石墨烯12；波束发生装置2用于产生一阶贝塞尔波束照射目标颗粒1，使核层石墨烯11的电偶极模式与核层石墨烯11的电四极模式耦合形成法诺共振，以向目标颗粒1施加指向波束发生装置2的光拉力，向波束发生装置2移动目标颗粒1。上述系统通过产生一阶贝塞尔波束的照射，使得核层石墨烯以及壳层石墨烯各自的电偶极模式与电四极模式耦合形成法诺共振，可以促进一阶贝塞尔波束的前向散射同时抑制后向散射，从而得到较大的负光力，实现将目标颗粒1沿指向波束发生装置2方向拉动颗粒移动，缩短波束发生装置2与目标颗粒1之间的距离，实现目标颗粒1的移动。

有关本发明所提供的一种基于石墨烯的光操控系统的具体结构将在下述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。

请参考图7，图7为核壳比η＝0.6时不同共振模式下散射截面的分布图。

区别于上述发明实施例，本发明实施例是在上述发明实施例的基础上，进一步的对基于光拉力的颗粒移动系统的结构进行具体限定。其余内容已在上述发明实施例中进行了详细介绍，在此不再进行赘述。

在本发明实施例中，所述波束发生装置2还用于产生一阶贝塞尔波束照射所述目标颗粒1，使所述核层石墨烯11的电偶极模式与所述壳层石墨烯12的电四极模式耦合形成法诺共振，以向所述目标颗粒1施加背向所述波束发生装置2的光推力，向远离所述波束发生装置2的方向移动所述目标颗粒1。

从上述发明实施例中可以得知，当一阶贝塞尔波束以不同的波长照射至同一目标颗粒1时，由于法诺共振的物理机制不同，可以切换实现正光力或者负光力。在本发明实施例中，波束发生装置2所产生的一阶贝塞尔波束在照射目标颗粒1时，会使核层石墨烯11的电偶极模式与壳层石墨烯12的电四极模式耦合形成法诺共振，该由核层石墨烯11与壳层石墨烯12共同作用所形成的法诺共振会诱导极大的正光力，即光推力。该光推力会作用在目标颗粒1，从而向远离波束发生装置2的方向移动目标颗粒1。

具体的，上述一阶贝塞尔波束在照射至呈核壳结构的目标颗粒1时，在满足预设波长条件下，可以使核层石墨烯11的电偶极模式与壳层石墨烯12的电四级模式相互耦合产生法诺共振，该法诺共振可以极大的促进后向散射，同时抑制前向散射，从而得到较大的正光力，以推动目标颗粒1向远离波束发生装置2的方向移动。

参见图7，结合图3以及图4，图7中当一阶贝塞尔波束的波长λ＝43.4μm时，会引起核层石墨烯11的电偶极模式与其电四极模式相互耦合引起法诺共振；当一阶贝塞尔波束的波长λ＝63.2μm时，会引起核层石墨烯11的电偶极模式与壳层石墨烯12的电四极模式相互耦合引起法诺共振；当一阶贝塞尔波束的波长λ＝100.6μm时，会引起壳层石墨烯12的电偶极共振。

从图7中可以看出，当一阶贝塞尔波束的波长λ＝100.6μm时，所引起的壳层石墨烯12的电偶极共振使得一阶贝塞尔波束的前向散射以及后向散射基本对称，不会产生明显的光拉力或光推力。当一阶贝塞尔波束的波长λ＝63.2μm时，所引起的由核层石墨烯11的电偶极模式与壳层石墨烯12的电四极模式相互耦合产生的法诺共振会极大的促进后向散射而抑制前向散射，从而可以获得极大的正光力，同时相比于波长λ＝100.6μm时，可以增强数倍的正光力。当一阶贝塞尔波束的波长λ＝43.4μm时，所引起的核层石墨烯11的电偶极模式与其电四极模式相互耦合产生的法诺共振会极大的促进前向散射而抑制后向散射，从而可以获得极大的负光力。

需要说明的是，在本发明实施例中，为了保证目标颗粒1可以在不改变结构的前提下可以同时产生较大的负光力以及较大的正光力，上述目标颗粒1的核壳比η通常在0.6至0.8之间，包括端点值。

本发明实施例所提供的一种基于石墨烯的光操控系统，波束发生装置2可以在仅改变出射的一阶贝塞尔波束波长的前提下，使得一阶贝塞尔波束可以灵活的对目标颗粒1施加负光力以及正光力，从而更加灵活的控制目标颗粒1移动。

有关本发明所提供的一种基于石墨烯的光操控系统的具体结构将在下述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。

请参考图8，图9以及图10，图8为核壳比η＝0.999时光力随费米能级和波长的变化关系；图9为核壳比η＝0.999时消光效率随费米能级和波长的变化关系；图10为径向光力F_r和纵向光散射力F_z与目标颗粒1中心远离光轴的位移d的变化关系图。

区别于上述发明实施例，本发明实施例是在上述发明实施例的基础上，进一步的对基于石墨烯的光操控系统的结构进行具体限定。其余内容已在上述发明实施例中进行了详细介绍，在此不再进行赘述。

在本发明实施例中，所述光操控系统还可以包括供电装置，所述供电装置可以用于向所述目标颗粒1施加预设电压，以调整所述目标颗粒1的费米能级。

由于石墨烯材料的特殊性，当在本发明实施例中通过向目标颗粒1施加电压可以改变目标颗粒1的费米能级。有关如何通过施加电压改变由石墨烯材料构成的目标颗粒1的费米能级，以及如何定向调整目标颗粒1费米能级的具体步骤或工艺可以参考现有技术，在此不再进行赘述。

参见图8以及图9，上述供电装置会向目标颗粒1时间电压，以改变目标颗粒1的费米能级E_F。从图8以及图9中可以看出，随着目标颗粒1费米能级的增加，目标颗粒1的电偶极共振与电四极共振蓝移，而且耦合增强，导致了强烈的法诺共振，从而进一步增强负光力。而且随着石墨烯弛豫时间的增加，石墨烯的阻尼常数会变小，使得电子迁移速率越高，损耗减小，因此会激发更强烈的法诺共振，从而使得目标颗粒1在一阶贝塞尔波束内可以受到更大的负光力。相应的，在本发明实施例中，为了增加目标颗粒1所受的光拉力大小，在本发明实施例中所述供电装置可以具体用于向所述目标颗粒1施加预设电压，以增加所述目标颗粒1的费米能级。

参见图10，需要说明的是，在本发明实施例中为了稳定的拉动或推动目标颗粒1，使得目标颗粒1会稳定在一阶贝塞尔波束中心不会沿一阶贝塞尔波束的横切方向移动，首先需要计算目标颗粒1在一阶贝塞尔波束内所受总横向力的径向分量F_r：

其中F_x为沿一阶贝塞尔波束横切面中x轴方向受力，F_y为沿一阶贝塞尔波束横切面中y轴方向受力；F_r为目标颗粒1所受总横向力的径向分量；

为横向平面xy上的方位角。当目标颗粒1处于横向平衡位置时，F_x＝F_y＝0。当目标颗粒1脱离横向平衡位置时，就会产生横向的梯度力。

图10描述了核壳比为0.999时，入射的一阶贝塞尔波束的波长λ＝50.8μm，目标颗粒1的费米能级E_F＝1eV时，径向光力F_r和纵向光散射力F_z与目标颗粒1中心远离一阶贝塞尔波束光轴的位移d之间的变化关系。从图10的虚线区域中可以看出，当目标颗粒1中心脱离光束中心的位移d为正值时，径向光力F_r的值为负；当目标颗粒1中心脱离光束中心的位移d为负值时，径向光力F_r的值为正。这意味着当目标颗粒1略微偏离光束中心时，径向光力F_r可以将目标颗粒1拉入一阶贝塞尔波束中心。在光拉力的范围，即使颗粒略微偏离光束中心，通过回复力F_r和纵向光散射力F_z，目标颗粒1也能稳定地被拉向光束轴和波束发生装置2。

本发明实施例所提供的一种基于石墨烯的光操控系统，通过供电装置改变目标颗粒1的费米能级，可以调整波束发生装置2所产生的一阶贝塞尔波束对目标颗粒1的作用力大小。

下面对本发明实施例所提供的一种基于石墨烯的光操控方法进行介绍，下文描述的光操控方法与上文描述的光操控系统可相互对应参照。

请参考图11，图11为本发明实施例所提供的一种基于石墨烯的光操控方法的流程图。

参见图11，在本发明实施例中，所述光操控方法可以包括：

S101：将呈核壳结构的目标颗粒置于目标位置。

在本发明实施例中，所述目标颗粒包括呈球状包裹第一介质的核层石墨烯、包裹所述核层石墨烯的第二介质以及包裹所述第二介质的壳层石墨烯。有关目标颗粒的具体结构已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。

在本步骤中，会将目标颗粒置于目标位置，以便后续步骤中波束发生装置产生的一阶贝塞尔波束可以照射至目标颗粒。

S102：通过波束发生装置产生一阶贝塞尔波束照射目标颗粒，使核层石墨烯的电偶极模式与核层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以及壳层石墨烯的电偶极模式与壳层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以向目标颗粒施加指向波束发生装置的光拉力，向波束发生装置移动目标颗粒。

有关上述光拉力的产生原理已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。在本步骤中，波束发生装置产生的预设波长的一阶贝塞尔波束会照射至目标颗粒，通过激发核层石墨烯的电偶极模式与其电四极模式耦合形成法诺共振，以及激发壳层石墨烯的电偶极模式与其电四极模式耦合形成法诺共振，通过该法诺共振促进一阶贝塞尔波束在照射到目标颗粒后的前向散射，同时抑制后向散射，从而得到较大的负光力，即光拉力。通过该负光力可以将目标颗粒向波束发生装置移动。

本发明实施例所提供的一种基于光拉力的颗粒移动方法，通过向核壳结构的目标颗粒照射一阶贝塞尔波束，使得核层石墨烯以及核层石墨烯各自的电偶极模式与电四极模式耦合形成法诺共振，可以促进前向散射同时抑制后向散射，从而得到较大的负光力，实现将目标颗粒沿指向波束发生装置方向拉动颗粒移动，缩短波束发生装置与目标颗粒之间的距，实现目标颗粒的移动。

有关本发明所提供的一种基于光拉力的颗粒移动方法的具体内容将在下述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。

请参考图12，图12为本发明实施例所提供的一种具体的基于石墨烯的光操控方法的流程图。

参见图12，在本发明实施例中，所述光操控方法可以包括：

S201：将呈核壳结构的目标颗粒置于目标位置。

S202：通过波束发生装置产生一阶贝塞尔波束照射目标颗粒，使核层石墨烯的电偶极模式与核层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以及壳层石墨烯的电偶极模式与壳层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以向目标颗粒施加指向波束发生装置的光拉力，向波束发生装置移动目标颗粒。

上述S201至S202与上述发明实施例中S101至S102基本一致，详细内容请参考上述发明实施例，在此不再进行赘述。

S203：通过波束发生装置产生一阶贝塞尔波束照射目标颗粒，使核层石墨烯的电偶极模式与壳层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以向目标颗粒施加背向波束发生装置的光推力，向远离波束发生装置的方向移动目标颗粒。

有关上述光推力的产生原理已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。在本步骤中，波束发生装置产生的预设波长的一阶贝塞尔波束会照射至目标颗粒，通过激发核层石墨烯的电偶极模式与壳层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，通过该法诺共振促进一阶贝塞尔波束在照射到目标颗粒后的后向散射，同时抑制前向散射，从而得到较大的正光力，即光推力。通过该正光力可以将目标颗粒向远离波束发生装置方向移动。

需要说明的是，在本发明实施例中S202以及S203之间在执行过程中并没有先后顺序，视实际情况中目标颗粒所处位置而决定。

本发明实施例所提供的一种基于光拉力的颗粒移动方法，可以在仅改变波束发生装置出射的一阶贝塞尔波束波长的前提下，使得一阶贝塞尔波束可以灵活的对目标颗粒施加负光力以及正光力，从而更加灵活的控制目标颗粒移动。

有关本发明所提供的一种基于光拉力的颗粒移动方法的具体内容将在下述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。

请参考图13，图13为本发明实施例所提供的另一种具体的基于石墨烯的光操控方法的流程图。

参见图13，在本发明实施例中，所述光操控方法可以包括：

S301：将呈核壳结构的目标颗粒置于目标位置。

S302：通过波束发生装置产生一阶贝塞尔波束照射目标颗粒，使核层石墨烯的电偶极模式与核层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以及壳层石墨烯的电偶极模式与壳层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以向目标颗粒施加指向波束发生装置的光拉力，向波束发生装置移动目标颗粒。

S303：通过波束发生装置产生一阶贝塞尔波束照射目标颗粒，使核层石墨烯的电偶极模式与壳层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以向所述目标颗粒施加背向所述波束发生装置的光推力，向远离波束发生装置的方向移动目标颗粒。

上述S301至S303与上述发明实施例中S201至S203基本一致，详细内容请参考上述发明实施例，在此不再进行赘述。

S204：通过供电装置向目标颗粒施加预设电压，以调整目标颗粒的费米能级。

有关供电装置以及调节目标颗粒费米能级的具体内容已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。在本步骤中，通过施加电压可以调整目标颗粒的费米能级，而目标颗粒的费米能级可以影响目标颗粒中电偶极模式与电四极模式耦合的强度，从而影响法诺共振的剧烈程度，进而影响目标颗粒所受光拉力的大小。具体的，当目标颗粒费米能级增加时，目标颗粒的电偶极共振与电四极共振会蓝移，而且耦合增强，可以导致强烈的法诺共振，从而进一步增强负光力。相应的，本步骤可以具体为：通过供电装置向所述目标颗粒施加预设电压，以增加所述目标颗粒的费米能级；从而提高目标颗粒的受力大小。

本发明实施例所提供的一种基于光拉力的颗粒移动方法，通过供电装置改变目标颗粒的费米能级，可以调整波束发生装置所产生的一阶贝塞尔波束对目标颗粒的作用力大小。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种基于石墨烯的光操控系统及一种基于石墨烯的光操控方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于石墨烯的光操控系统，其特征在于，包括处于目标位置的目标颗粒以及波束发生装置；

所述目标颗粒呈核壳结构，所述目标颗粒包括呈球状包裹第一介质的核层石墨烯、包裹所述核层石墨烯的第二介质以及包裹所述第二介质的壳层石墨烯；

所述波束发生装置用于产生一阶贝塞尔波束照射所述目标颗粒，使所述核层石墨烯的电偶极模式与所述核层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以及所述壳层石墨烯的电偶极模式与所述壳层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以向所述目标颗粒施加指向所述波束发生装置的光拉力，向所述波束发生装置移动所述目标颗粒；

所述波束发生装置还用于：

产生一阶贝塞尔波束照射所述目标颗粒，使所述核层石墨烯的电偶极模式与所述壳层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以向所述目标颗粒施加背向所述波束发生装置的光推力，向远离所述波束发生装置的方向移动所述目标颗粒。

2.根据权利要求1所述的光操控系统，其特征在于，还包括供电装置，所述供电装置用于：

向所述目标颗粒施加预设电压，以调整所述目标颗粒的费米能级。

3.根据权利要求2所述的光操控系统，其特征在于，所述供电装置具体用于：

向所述目标颗粒施加预设电压，以增加所述目标颗粒的费米能级。

4.根据权利要求1所述的光操控系统，其特征在于，所述目标颗粒处于介电常数等于1.33²的水中。

5.根据权利要求4所述的光操控系统，其特征在于，所述第一介质的介电常数以及所述第二介质的介电常数均等于1.5。

6.一种基于石墨烯的光操控方法，其特征在于，包括：

将呈核壳结构的目标颗粒置于目标位置；所述目标颗粒包括呈球状包裹第一介质的核层石墨烯、包裹所述核层石墨烯的第二介质以及包裹所述第二介质的壳层石墨烯；

通过波束发生装置产生一阶贝塞尔波束照射所述目标颗粒，使所述核层石墨烯的电偶极模式与所述核层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以及所述壳层石墨烯的电偶极模式与所述壳层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以向所述目标颗粒施加指向所述波束发生装置的光拉力，向所述波束发生装置移动所述目标颗粒；

在所述将呈核壳结构的目标颗粒置于介质中之后，所述方法还包括：

通过所述波束发生装置产生一阶贝塞尔波束照射所述目标颗粒，使所述核层石墨烯的电偶极模式与所述壳层石墨烯的电四极模式耦合形成法诺共振，以向所述目标颗粒施加背向所述波束发生装置的光推力，向远离所述波束发生装置的方向移动所述目标颗粒。

7.根据权利要求6所述的光操控方法，其特征在于，在所述呈核壳结构的目标颗粒置于介质中之后，所述方法还包括：

通过供电装置向所述目标颗粒施加预设电压，以调整所述目标颗粒的费米能级。

8.根据权利要求7所述的光操控方法，其特征在于，所述通过供电装置向所述目标颗粒施加预设电压，以调整所述目标颗粒的费米能级包括：

通过供电装置向所述目标颗粒施加预设电压，以增加所述目标颗粒的费米能级。

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