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硅三聚体纳米光镊结构及纳米颗粒捕获移动的方法技术

技术编号:26069570 阅读:8 留言:0更新日期:2020-10-28 16:42
本发明专利技术公开了硅三聚体纳米光镊结构及纳米颗粒捕获移动的方法,包括用于吸收激光光场中产生的焦耳热的硅基底;位于基底上,用于与激光作用形成局域电场,将纳米颗粒进行捕获的硅三聚体;用于与硅三聚体作用产生消逝场的平面光波。计算纳米颗粒在硅三聚体纳米光镊结构所在光场的电场增强分布,光力和势能可以定量分析被捕获纳米颗粒的最小尺寸以及捕获位置。改变激光的偏振可以实现硅三聚体中热点位置的变换,从而改变硅三聚体中纳米颗粒的捕获位置,实现纳米颗粒在硅三聚体中移动的功能。实现了纳米级别的微观颗粒操纵,有利于应用到操纵手性粒子,进行纳米级别的测量。

【技术实现步骤摘要】
硅三聚体纳米光镊结构及纳米颗粒捕获移动的方法
本专利技术属于光操纵
,特别是涉及一种硅三聚体纳米光镊结构及纳米颗粒捕获移动的方法。
技术介绍
光镊具有无机械损伤和无接触操纵的特点,能在三维空间中对微粒进行操纵,也可以直接测量微小力、扩散系数、微粒材料折射率,控制DNA拉伸、病毒筛选以及对细胞形变的研究等,这些优点使得光镊在现代医学、生物、化学、物理等领域上有着重要的应用。然而,金属纳米光镊进行颗粒捕获时存在严重的光热效应问题,由于金属在光学频率上的强吸收损耗,等离子体纳米光镊会出现焦耳热,这通常会降低捕获的稳定性。会导致热泳和对流,甚至导致在捕获点水的沸腾,样品在高强度下会出现损伤。金属纳米结构中的局域表面等离激元共振具有独特的光学特性,能够使原来均匀分布的光场在某些结构表面的强度增强数倍,导致形成光学势阱,让附近随机运动的纳米颗粒被捕获在这些光场局域增强位置,形成光镊。但是,金属材质本身具有较大的非辐射损耗(例如欧姆损耗)限制了其相关应用性能的进一步提高。于是,有研究提出,可以用介电材料制造纳米结构,取代金属纳米结构,介电材料具有高折射率、低损耗的特点,才能既实现光场的局域增强,又有较低的热损耗(非辐射损耗)。近年来,人们发现高折射率低损耗的介电纳米结构中的光学共振同样可以突破衍射极限,在亚波长尺度上实现对入射光的操纵。介电纳米光镊是采用介电纳米结构形成光学捕获功能的光镊,是相对于金属纳米光镊和在介电材料表面镀有部分金属层的纳米光镊来说的。介电纳米光镊相对于等离子体纳米光镊的两个关键优势是:首先,由于低吸收损耗,纳米天线产生的热量很低,温度升高非常小。第二,介电纳米光镊具有强电谐振和强磁谐振两种热点。同时,除了捕获纳米颗粒,利用纳米结构进行光场调制,可以实现运输,旋转,排列组装等微纳米级别物质,改变硅三聚体纳米光镊结构的光场能够拓展介电材料光操纵功能的多样性。因此,利用介电材料设计出一种既能避免热损伤又具有快速高效捕获能力的光操控结构和方法是非常有意义的事情。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种硅三聚体纳米光镊结构,能够实现低热吸收,对捕获物质无热损伤,可以稳定捕获纳米颗粒,并且可以移动运输纳米颗粒,解决了光操纵领域热损伤的问题以及填补了介电结构移动运输纳米颗粒的空白。本专利技术实施例的另一目的是提供一种纳米颗粒捕获移动的方法。本专利技术所采用的技术方案是,硅三聚体纳米光镊结构,用于形成近场消逝波,利用局域场增强捕获纳米颗粒。进一步的,包括硅基底,用于吸收激光光场中产生的焦耳热,并且作为硅三聚体纳米光镊结构的基底;硅三聚体,位于基底上,用于与激光作用形成局域电场,将纳米颗粒进行捕获;平面光波,用于产生激光并与硅三聚体作用产生消逝场;纳米颗粒,用于计算的被捕获的纳米颗粒。进一步的,所述硅三聚体,包括三个硅圆柱组成的硅三聚体,硅圆柱直径和高为200nm,两两相聚的圆心距离为250nm。进一步的,所述硅三聚体纳米光镊结构处在水的环境中。进一步的,所述平面光波,入射方向为垂直硅三聚体以及硅基底方向,光波长为1064nm,光场强度为300mW/µm2。进一步的,所述纳米颗粒,为介电颗粒或金属颗粒或活体细胞生物材料。本专利技术所采用的另一技术方案是:一种纳米颗粒捕获移动的方法,采用硅三聚体纳米光镊结构,按照以下步骤进行:步骤一、先将硅三聚体纳米光镊结构进行建模,确定三维分解的方向;再计算硅三聚体在线性偏振的均匀平面波照射下在纵向切面以及横向切面的电场增强图,其中线性偏振光与硅三聚体任意两个硅圆柱的主轴平行;得到电场增强图中场增强最强的区域在硅三聚体与均匀平面波线性偏振平行的间隔处;步骤二、确定硅圆柱直径和高为200nm,两两相聚的圆心距离为250nm,合适捕获间隔为50nm,光场强度为300mW/µm2,光波长为1064nm;步骤三、定量分析硅三聚体纳米光镊结构捕获纳米颗粒的捕获光力;先利用麦克斯韦张量法或者体积法计算线偏振光下光合力在三维方向在(x,y,z)三个方向上进行三个分力Fx,Fy,Fz的分解,分析三个光分力是否存在光力为零,并且光分力对分力方向求导为负数的点,该点即为被捕获位置,在三个分解方向上共同确定具体捕获位置;定量分析硅三聚体纳米光镊结构捕获纳米颗粒的捕获势能;将光力从无穷远处积分,得到势能曲线,当势能大于1KBT,颗粒就能克服布朗力,被限制在势阱中;势能越大,越能稳定捕获纳米颗粒,其中KB为玻尔兹曼常数,T为温度;步骤改变均匀平面光波的偏振,利用改变偏振法从而移动颗粒;将入射光的线性偏振光的偏振角进行旋转,改变偏振角,电场增强图中的热点位置会随着偏振角的变化而变化,从而改变颗粒被捕获的位置,利用偏振依赖性进行纳米颗粒在硅三聚体纳米光镊结构中捕获位置的移动,实现运输纳米颗粒的目的;计算圆偏振光下硅三聚体纳米光镊结构捕获纳米颗粒的捕获能力;圆偏振光时通过电场增强图发现硅三聚体形成三个热点位置,能够扩大捕获纳米颗粒的范围,同时捕获更多的纳米颗粒。本专利技术的有益效果:硅三聚体纳米光镊在近红外波段的热吸收远小于金属纳米光镊,极少的热吸收也将带来极低的温升,纳米颗粒在光场中的布朗运动不会激烈,能够大大降低由光热效应带来的负面影响,提高光镊在捕获颗粒时的稳定性。同时,高折射率低损耗的硅三聚体纳米光镊中的光学共振同样可以突破衍射极限,在亚波长尺度上实现对入射光的操纵。能够捕获半径为15nm的介电颗粒,实现纳米级别的操纵。通过控制入射光的偏振角度,还可以改变纳米颗粒的位置,实现纳米颗粒在硅三聚体纳米光镊结构中的移动和传输,可以应用到计算微观的分子力,捕获病毒和操纵手性材料分子等方面。硅三聚体纳米光镊吸热少,相较于金属纳米结构引起的环境温度变化低,导热系数高,散热快,不容易造成热损伤,通过与输入激光的相互作用形成在纳米结构附近的消逝场,利用局域在纳米结构的高度集中的消逝场对纳米颗粒进行捕获。计算纳米颗粒在硅三聚体纳米光镊结构所在光场的电场增强分布,光力和势能可以定量分析被捕获纳米颗粒的最小尺寸以及捕获位置。改变激光的偏振可以实现硅三聚体中热点位置的变换,从而改变硅三聚体中纳米颗粒的捕获位置,实现纳米颗粒在硅三聚体中移动运输的功能。硅三聚体纳米光镊解决了光操纵领域热损伤的问题以及填补了全介电结构移动运输纳米颗粒的空白,拓展介电材料光操纵功能的多样性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案,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地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例,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是本专利技术硅三聚体纳米光镊捕获纳米颗粒示意图。图2是本专利技术利用线性偏振光进行纳米颗粒捕获的电场增强图。其中,图2a当沿x轴偏振的均匀平面波垂直入射硅三聚体纳米光镊结构,电场在x-y平面的分布图;图2b当沿x轴偏振的均本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.硅三聚体纳米光镊结构,其特征在于,用于形成近场消逝波,利用局域场增强捕获纳米颗粒。/n

【技术特征摘要】
1.硅三聚体纳米光镊结构,其特征在于,用于形成近场消逝波,利用局域场增强捕获纳米颗粒。


2.根据权利要求1所述的硅三聚体纳米光镊结构,其特征在于,包括
硅基底,用于吸收激光光场中产生的焦耳热,并且作为硅三聚体纳米光镊结构的基底;
硅三聚体,位于基底上,用于与激光作用形成局域电场,将纳米颗粒进行捕获;
平面光波,用于产生激光并与硅三聚体作用产生消逝场;
纳米颗粒,用于计算的被捕获的纳米颗粒。


3.根据权利要求1所述的硅三聚体纳米光镊结构,其特征在于,所述硅三聚体,包括三个硅圆柱组成的硅三聚体,硅圆柱直径和高为200nm,两两相聚的圆心距离为250nm。


4.根据权利要求1所述的硅三聚体纳米光镊结构,其特征在于,所述硅三聚体纳米光镊结构处在水的环境中。


5.根据权利要求1所述的硅三聚体纳米光镊结构,其特征在于,所述平面光波,入射方向为垂直硅三聚体以及硅基底方向,光波长为1064nm,光场强度为300mW/µm2。


6.根据权利要求1所述的硅三聚体纳米光镊结构,其特征在于,所述纳米颗粒,为介电颗粒或金属颗粒或活体细胞生物材料。


7.一种纳米颗粒捕获移动的方法,采用如权利要求1-6任一项所述的硅三聚体纳米光镊结构,其特征在于,按照以下步骤进行:
步骤一、先将硅三聚体纳米光镊结构进行建模,确定三维分解的方向;再计算硅三聚体在线性偏振的均匀平...

【专利技术属性】
技术研发人员:熊莎廖祎郭迎
申请(专利权)人:中南大学
类型:发明
国别省市:湖南;43

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