1 中北大学仪器与电子学院，山西 太原 030051
2 中北大学信息与通信工程学院，山西 太原 030051
利用同轴结构实现纳米粒子光学捕获，研究不同偏振光对光势阱的影响，并通过优化结构参数实现圆偏振下的等离激元涡旋场模式。研究结果表明：该同轴结构在线偏振光750 nm处透射率最大，并且在入射光强为1 μW/μm2时势阱深度达到17；圆偏振光在同轴结构上方形成涡旋场，能量流势阱深度为8。所设计的同轴结构扩大了光场作用范围，优化了光梯度力作用方向，提高了捕获低浓度小尺度粒子的效率。该研究结果对于低浓度生物分子光学捕获具有一定的参考意义。
激光光学 表面等离激元 光学捕获 圆偏振光 涡旋状光场
1 表面物理与化学重点实验室，四川 绵阳 621908
2 中国工程物理研究院材料研究所，四川 绵阳 621907
光学捕获经过近几十年的发展，从光学悬浮到紧密聚焦的单光束光镊再到最近发展的多种类型的光学阱，已经可以捕获包括碳、金属氧化物、花粉、孢子、无机/有机液滴等多种不同类型的粒子，结合拉曼光谱、腔衰荡光谱或激光诱导击穿光谱可以获取悬浮微粒在原生状态下的物理和化学信息，并可以实现受控气氛环境下单粒子的化学反应研究。首先，本文根据微粒的吸光性对空气中微粒的光学捕获力的来源进行了介绍，透明微粒主要受辐射压力的作用，吸光微粒主要受光泳力的作用；然后，根据光学捕获力的不同对单光束、双光束、高斯光束和空心光束等光学捕获设计进行分类介绍；最后，综述了光学捕获与光谱技术结合起来用于单粒子研究的最新进展，并讨论了光学捕获拉曼光谱面临的挑战。
光谱学 光镊 光学捕获 单颗粒 气溶胶
1 中北大学信息与通信工程学院，山西 太原 030051
2 中北大学仪器与电子学院，山西 太原 030051
设计了一种近红外与太赫兹双波段局域场增强结构，由微米级矩形槽结构与纳米级双圆盘结构构成。利用微米级矩形槽结构实现太赫兹共振增强，同时将纳米级双圆盘结构与其相结合实现在近红外波段的光学捕获，并采用时域有限差分法对结构进行仿真分析。研究结果表明：双波段局域场增强结构在0.63 THz处有谐振峰同时具有强的局域场增强，最大电场增强1800；在近红外波段入射光强为1 mW/μm2时，势阱深度达到30，可以实现粒子的稳定捕获。该研究结果对生物大分子太赫兹振动谱探测具有一定的参考意义。
光谱学 双波段局域场增强结构 光学捕获 时域有限差分法 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0530004
光学 精密工程
2022, 30(13): 1555
1 泰山学院物理与电子工程学院, 山东 泰安 271021
2 南开大学现代光学研究所天津微尺度光信息科学技术重点实验室, 天津 300350
设计了一种用于产生多轴非对称结构光束的新型多轴非对称指数型锥器件,器件由非对称结构和多轴结构复合而成。利用理论计算、数值模拟和实验测量方法,验证了多轴非对称结构光束在传播过程中会产生多个焦点并且具有独特的能流特性。利用这一特性设计并开展了利用聚焦多轴非对称结构光束操控聚苯乙烯荧光微球的实验,结果表明,多轴非对称结构光束使得聚苯乙烯微球在被捕获过程中表现出“加速-减速-再加速”的运动规律,与模拟计算结果一致。多轴非对称指数型锥器件及其产生的多轴非对称结构光束在药物传输、微粒筛选等领域中有着重要的应用价值。
微纳光学 微光学元件 相位调制 激光光束整形 光学捕获 光学操纵 中国激光
2021, 48(24): 2413001
拉盖尔-高斯光束是典型的涡旋光束,光束的轨道角动量会传递给微粒使其产生轨道运动。本文利用T矩阵方法和麦克斯韦应力张量积分计算了强聚焦线偏振拉盖尔-高斯光束对球形粒子的捕获力,并着重分析了粒子半径和光束阶数对微粒在涡旋聚焦场中运动状态的影响。当光束阶数一定时,随着微粒半径的增大,轨道运动的轨迹会逐渐缩小。当粒子半径大于临界值时,就会被捕获到光轴上,且无法进行轨道运动。但是,离轴捕获的粒子受到的轴向捕获力比轴上捕获的要小一个量级,需要施加足够的入射光功率以维持稳定的轨道运动。
拉盖尔-高斯光束 涡旋光束 T矩阵方法 光学捕获 轨道运动 Laguerre-Gaussian beam vortex beam T-matrix method optical trapping orbital motion
华中科技大学材料科学与工程学院, 湖北 武汉 430074
针对金属纳米光镊结构进行捕获时存在的光热效应问题,设计了一种硅基双纳米球的光镊结构。采用基于三维频域有限元的算法,对比分析了硅基双纳米球与金基双纳米球结构的增强场分布以及在对聚苯乙烯颗粒捕获势能相同条件下的热效应,发现硅基结构具有发热小、在高光场强度下捕获稳定性好的优点。对所设计的硅基双纳米球结构对聚苯乙烯颗粒的捕获特性进行模拟分析,在稳态场下研究了不同直径颗粒在不同位置受到的捕获力情况。研究结果表明,硅基纳米光镊结构在对微粒进行稳定捕获的同时可有效降低结构热效应带来的影响。
表面光学 硅基光镊 光热效应 光学捕获 光学共振
安徽理工大学力学与光电物理学院, 安徽 淮南 232001
光镊技术是利用高度聚焦的激光束所形成的梯度力势阱对微纳粒子进行捕获和操控的技术, 在生物、物理、化学和医学等领域有着非常广泛的应用。基于4π聚焦系统, 理论研究了径向偏振高斯光束的紧聚焦特性及其对金属微粒的辐射力, 并与传统的单透镜聚焦系统结果进行比较; 还详细讨论了不同离焦和离轴距离对光阱刚度的影响。研究结果表明, 与传统的单透镜聚焦系统相比, 4π聚焦系统通过选择合适的光学参量, 可以获得具有三维球形结构的聚焦光斑, 显著增大了横向和纵向的梯度力, 从而显著增强光镊系统捕获金属微粒的稳定性。
物理光学 光镊 光学捕获力 4π聚焦系统 光阱刚度 激光与光电子学进展
2018, 55(10): 102601
武汉理工大学 理学院 物理系, 武汉 430070
为了分析聚焦光束对多层粒子的捕获效率, 结合矢量衍射积分、T矩阵方法以及Maxwell应力张量积分, 通过理论推导给出了双层球形粒子的T矩阵的详细表达式, 并对双层球形粒子在聚焦光场中的受力进行了数值计算, 详细分析了内层折射率和内层尺寸对光场捕获效率的影响。结果表明, 只有内层折射率在一定范围内, 聚焦光束对双层球形粒子才具有捕获作用, 随着内层折射率增加, 最大后向捕获效率先增加后减小至零, 对于空心粒子, 内层尺寸越大, 聚焦光束对粒子的捕获作用越弱, 且平面波的捕获作用比高斯光束更强。此双层球形粒子的受力计算可以拓展到多层的复杂粒子的情形。
激光技术 光学捕获 T矩阵 双层球形粒子 laser technique optical trapping T matrix double-layer spherical particle
