CN118068466A - 表面等离激元瓶制备方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表面等离激元瓶制备方法和装置。本发明所述的表面等离激元瓶制备方法包括：将激光束调制成以相位延迟叠加的半皮尔斯光束；将所述半皮尔斯光束照射到激发器上，激发激发器的表面等离激元，获得表面等离激元瓶。本发明所述的表面等离激元瓶制备方法，利用表面等离激元效应制备了能够捕获微粒的表面等离激元瓶。相比于现有的光镊或光瓶技术，本发明所述的表面等离激元瓶能够突破衍射极限，有效捕获现有光镊光瓶技术不能捕获的小尺寸微粒。同时，本发明还提供了一种表面等离激元瓶制备装置，包括激光器、空间光调制器和激发器，所述装置结构简单，光路易调节抗干扰强，便于制备表面等离激元瓶。

Description

表面等离激元瓶制备方法和装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及表面等离激元瓶制备方法和装置。

背景技术

1986年，能捕获与操纵微粒的光束——“光镊”的提出，打开了用光束捕获粒子的大门。光镊利用了光的梯度力，在不同条件下光会对物体产生推力或吸力，通过对光进行调制，能够实现将粒子限制在光的聚焦点处，从而捕获和操纵粒子。但是光镊存在只能捕获单一粒子的局限性，限制了光镊的使用场景。随后，能够同时捕获与操纵多个粒子的“光瓶”结构被提出。“光瓶”结构同样基于梯度力作用，通过将粒子囚禁在被高势能区包围的低势能区中（即瓶身），实现对多个粒子的同时捕获与操纵，引起了广泛学者的研究。但是在后续的深入研究中，人们发现不管是光镊还是光瓶通常都只能捕获几十纳米到几十微米区间的粒子，这个区间正好是生物细胞、细胞器、生物大分子等的尺寸，因此目前光镊和光瓶技术更多是应用在生物领域。而如果想捕获更小尺度的微粒就会由于衍射极限的原因，不能实现准确地捕获。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种表面等离激元瓶制备方法和装置。

一种表面等离激元瓶的制备方法，包括以下步骤：

S10、将激光束调制成以相位延迟叠加的半皮尔斯光束；

S20、将所述半皮尔斯光束照射到激发器上，使激发器激发表面等离激元，获得表面等离激元瓶。

本发明所述的表面等离激元瓶制备方法，利用表面等离激元效应制备了能够捕获微粒的表面等离激元瓶。相比于现有技术所使用的光瓶，本发明所述的表面等离激元瓶能够突破衍射极限，有效捕获现有光瓶技术不能捕获的更小尺度微粒。并且更进一步地，通过对半皮尔斯光束进行调制能够获得不同形状的表面等离激元瓶，满足更多样的应用需求。

进一步地，所述步骤S10还包括：将所述半皮尔斯光束进行滤波，获得仅有相位信息的半皮尔斯光束。

进一步地，所述半皮尔斯光束的初始场表达式为：

式中为半皮尔斯函数，/>为二阶啁啾，/>为束宽，/>为衰减因子，/>为分布因子，/>为位移因子，/>为第/>个啁啾因子，为啁啾因子数量。

并且，本发明还提供了一种表面等离激元瓶制备装置，包括激光器、空间光调制器和激发器，所述激光器用于产生激光束并照射到空间光调制器，所述空间光调制器用于将所述激光束调制成以相位延迟叠加的半皮尔斯光束并照射到所述激发器，所述激发器被所述半皮尔斯光束照射后激发表面等离激元，获得表面等离激元瓶。

进一步地，还包括空间滤波系统，所述空间滤波系统用于将所述空间光调制器调制的半皮尔斯光滤波为仅有相位信息的半皮尔斯光束，滤波后的半皮尔斯光束再照射到所述激发器上。

进一步地，所述空间滤波系统包括两个焦距相等的傅里叶透镜和一个可调光阑，所述两个傅里叶透镜间距为两倍焦距，所述可调光阑设置在两个透镜之间，与透镜的距离为一倍焦距，所述傅里叶透镜和可调光阑共光轴。

进一步地，还包括扩束器，所述扩束器用于将所述激光器产生的激光束扩束准直。

进一步地，还包括分束器，所述分束器为分束立方晶体，所述分束器将激光器产生的激光束分束并将其中一束照射到所述空间光调制器，并且所述空间光调制器调制后的半皮尔斯光束经过分束器后再照射到所述空间滤波系统。

进一步地，还包括反射镜，所述反射镜将经空间滤波系统滤波后的半皮尔斯光束垂直反射到所述激发器上。

进一步地，所述激发器为蚀刻有周期光栅阵列的银层，所述周期光栅阵列的光栅周期与入射光波长相等。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

（1）利用表面等离激元效应产生表面等离激元瓶，相比于现有的光瓶技术，能够突破衍射极限的限制，有效捕获小尺度微粒。

（2）通过空间光调制器对激光束进行调制，获得不同的半皮尔斯光束，能够方便的改变将半皮尔斯光束照射在激发器上所产生的表面等离激元瓶的形状和方向等，更好地满足实际捕获中的不同需求。

（3）本发明还提供了一种表面等离激元瓶的制备装置，装置本身结构简单，光路易于调整，抗干扰能力强。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为本发明所述表面等离激元瓶制备装置图；

图2为本发明所述分束器的光路示意图；

图3为本发明所述表面等离激元瓶制备方法流程图；

图4为示例1制备的表面等离激元瓶图；

图5为示例2制备的表面等离激元瓶图；

图6为示例3制备的表面等离激元瓶图。

具体实施方式

请参阅图1，一种表面等离激元瓶制备装置，包括激光器10、扩束器20、分束器30、空间光调制器40、空间滤波系统50、反射镜60和激发器70。所述激光器10用于产生激光束，所述扩束器20和分束器30设置于所述产生的激光束的光轴上。所述扩束器20将激光束扩束准直。

所述分束器30为分束立方晶体，当正确设置时，分束立方晶体具有将入射光束分束成两束光束，并分别从沿入射方向和入射方向的正右方出射的性质。由装置所处平面的上方向下观察，所述分束器30设置在所述激光器10的正下方，所述空间光调制器40设置在所述分束器30的正左方，所述空间滤波系统50设置在所述分束器30的正右方，使得所述激光器10、扩束器20、分束器30、空间光调制器40和空间滤波系统50组成倒T字结构。利用分束立方晶体的这种特性和相应的装置布局，能够在改变激光器10产生的激光束光路使其进入空间光调制器40的同时，还允许空间光调制器40调制后的出射光通过，而不会产生阻挡。请参阅图2，为光束经过所述分束器30的光路示意图，所述分束器30将入射激光分束后照射到所述空间光调制器40，空间光调制器40将激光调制后反射回分束器30，分束器30将反射激光再次分束后照射到所述空间滤波系统50。需要说明的是，图中为了便于展示和理解，将光路分离表示，实际光路重合为十字形，也即空间光调制器40的入射光和出射光重合，分束器30的下方出射光束也重合。

所述空间滤波系统50包括两个焦距相同的傅里叶透镜和一个可调光阑53。所述两个焦距相同的傅里叶透镜分别是第一透镜51和第二透镜52，所述第一透镜51和第二透镜52的间距为2倍的焦距；所述可调光阑53设置在所述第一透镜51和第二透镜52之间，与第一透镜51和第二透镜52的间距均为1倍焦距，并调节为允许正一级条纹通过。经过空间滤波的光束由反射镜60反射后到达激发器70，所述激发器70为蚀刻有周期光栅阵列的银层，光栅周期等于照射光波长。光束照射在所述周期光栅阵列上，由此获得动量补偿从而在银层表面激发出表面等离激元。

请参阅图3，基于上述装置制备表面等离激元瓶的方法，包括以下步骤：

S10、将激光束调制成以相位延迟叠加的半皮尔斯光束，具体包括以下步骤：

S11、启动激光器10产生激光束，激光束经扩束器20扩束准直；

S12、扩束的激光束照射到分束器30分束为第一激光和第二激光，所述第一激光照射到空间光调制器，所述第二激光照射到空气中舍弃不用；

S13、空间光调制器40对所述第一激光进行调制，通过与空间光调制器40连接的计算机输入参数后，获得以相位延迟叠加的半皮尔斯光束，所述半皮尔斯光束的初始场满足：

式中为半皮尔斯函数，/>为二阶啁啾，/>为束宽，/>为衰减因子，/>为分布因子，/>为位移因子，/>为第/>个啁啾因子，为啁啾因子数量。

S14、所述半皮尔斯光束照射到空间滤波系统50进行滤波，调节光阑53仅允许正一级衍射条纹通过，得到仅有相位信息的半皮尔斯光束。

S20、将所述半皮尔斯光束照射到激发器70上，使激发器70激发表面等离激元，获得表面等离激元瓶，具体包括以下步骤：

S21、反射镜60将滤波后的半皮尔斯光束垂直反射到激发器70上；

S22、所述半皮尔斯光束照射到激发器70的周期光栅阵列上，获得动量补偿后激发激发器70的表面等离激元，获得表面等离激元瓶。

上述方法通过空间光调制器40调制激光束获得以相位延迟进行叠加的半皮尔斯光束，再照射到所述激发器70的周期光栅阵列上获得动量补偿后在激发器70表面激发了表面等离激元由此形成高势能区和低势能区。所述表面等离激元在二阶啁啾因子的作用下形成多次聚焦，使得高势能区包围低势能区，形成类似瓶子结构的表面等离激元瓶，将微粒囚禁在低势能区中，实现对微粒的捕获和操控。

进一步地，通过空间光调制器40对所述半皮尔斯光束的参数进行调制，可以改变所产生的表面等离激元瓶的形状和方向，从而更有效地捕获微粒。调制位移因子能够改变表面等离激元瓶的传播方向，使其离轴传播。调制啁啾因子/>能够改变二次聚焦位置，从而改变瓶身长度。调制啁啾因子数量/>能够改变聚焦的次数，从而改变瓶子的数量。

具体实施时，图3-图5给出相应的应用示例，所述激光器10发射的激光波长为632.8nm，束宽为600nm，衰减因子/>为1/250，分布因子/>为1。

示例1，请参阅图3，将啁啾因子数量设定为1，第1个啁啾因子/>设定为0.1，位移因子/>设定为0，获得单个瓶子的表面等离激元瓶。

示例2，请参阅图4，将啁啾因子数量设定为2，第1个啁啾因子/>设定为0.1，第2个啁啾因子/>设定为0.2，位移因子/>设定为0，获得具有两个瓶子的表面等离激元瓶。

示例3，请参阅图5，与示例2的参数基本相同，不同之处在于将位移因子设定为1，获得离轴传播的具有两个瓶子的表面等离激元瓶。

本发明所述的表面等离激元瓶制备方法，利用表面等离激元效应制备了类似光瓶的表面等离激元瓶，借助表面等离激元效应的特性突破衍射极限的限制，实现了现有技术的光瓶或者光镊所不具备的小尺度微粒捕获和操纵功能。并且本发明利用调制的半皮尔斯光束作为激发光源，还进一步提出了对于半皮尔斯光束的简易调制方法，通过空间光调制器可以方便快速地对半皮尔斯光束的参数进行调制，进而改变所产生的表面等离激元瓶的形状和方向，有利于应对不同需求的应用场景。此外，本发明还提供了表面等离激元瓶的制备装置，装置整体结构简单，有利于低成本地快速制备表面等离激元瓶。

本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (10)

1.一种表面等离激元瓶的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S10、将激光束调制成以相位延迟叠加的半皮尔斯光束；

S20、将所述半皮尔斯光束照射到激发器上，使激发器激发表面等离激元，获得表面等离激元瓶。

2.根据权利要求1所述的表面等离激元瓶的制备方法，其特征在于：所述步骤S10还包括：将所述半皮尔斯光束进行滤波，获得仅有相位信息的半皮尔斯光束。

3.根据权利要求1或2所述的表面等离激元瓶的制备方法，其特征在于：所述半皮尔斯光束的初始场满足：

式中为半皮尔斯函数，/>为二阶啁啾，/>为束宽，/>为衰减因子，/>为分布因子，/>为位移因子，/>为第/>个啁啾因子，/>为啁啾因子数量。

4.一种表面等离激元瓶制备装置，其特征在于：包括激光器、空间光调制器和激发器，所述激光器用于产生激光束并照射到空间光调制器，所述空间光调制器用于将所述激光束调制成以相位延迟叠加的半皮尔斯光束并照射到所述激发器，所述激发器被所述半皮尔斯光束照射后激发表面等离激元，获得表面等离激元瓶。

5.根据权利要求4所述的表面等离激元瓶制备装置，其特征在于：还包括空间滤波系统，所述空间滤波系统用于将所述空间光调制器调制的半皮尔斯光束滤波为仅有相位信息的半皮尔斯光束，滤波后的半皮尔斯光束再照射到所述激发器上。

6.根据权利要求5所述的表面等离激元瓶制备装置，其特征在于：所述空间滤波系统包括两个焦距相等的傅里叶透镜和一个可调光阑，所述两个傅里叶透镜间距为两倍焦距，所述可调光阑设置在两个傅里叶透镜之间，与傅里叶透镜的距离为一倍焦距，所述傅里叶透镜和可调光阑共光轴。

7.根据权利要求6所述的表面等离激元瓶制备装置，其特征在于：还包括扩束器，所述扩束器用于将所述激光器产生的激光束扩束准直。

8.根据权利要求7所述的表面等离激元瓶制备装置，其特征在于：还包括分束器，所述分束器为分束立方晶体，所述分束器将激光器产生的激光束分束并将其中一束照射到所述空间光调制器，并且所述空间光调制器调制后的半皮尔斯光束经过分束器后再照射到所述空间滤波系统。

9.根据权利要求8所述的表面等离激元瓶制备装置，其特征在于：还包括反射镜，所述反射镜将经空间滤波系统滤波后的半皮尔斯光束垂直反射到所述激发器上。

10.根据权利要求4-9任一项所述的表面等离激元瓶制备装置，其特征在于：所述激发器为蚀刻有周期光栅阵列的银层，所述周期光栅阵列的光栅周期与入射光波长相等。