应用消色差超透镜对纳米粒子进行光学操纵的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种应用消色差超透镜对纳米粒子进行光学操纵的装置及方法，该装置包括：消色差超透镜和光源；所述消色差超透镜包括基底和垂直设置在所述基底上的纳米柱；光源设置在所述消色差超透镜的靠近所述基底的一侧，所述光源发射的入射光通过所述消色差超透镜，从所述纳米柱表面输出，所述消色差超透镜在焦点附近产生电场和磁场，形成光力，捕获位于焦点附近的纳米粒子；所述光源发射的入射光的波长位于所述消色差超透镜的消色差波长范围内。本发明专利技术能够对纳米粒子进行更稳定的捕获，改善入射光波长所带来的影响，为多光源在同一点进行稳定的粒子捕获提供了新的途径。稳定的粒子捕获提供了新的途径。稳定的粒子捕获提供了新的途径。

Device and method for optical manipulation of nanoparticles by achromatic superlens

【技术实现步骤摘要】
应用消色差超透镜对纳米粒子进行光学操纵的装置及方法


[0001]本专利技术属于超透镜
，具体涉及到一种应用消色差超透镜对纳米粒子进行光学操 纵的装置及方法。

技术介绍

[0002]光镊技术是光学领域中非常重要的研究内容，主要利用光的力学效应对微粒子进行非接 触式操纵，在生物学领域、物理学领域和微纳光学领域发挥着重要的作用。
[0003]近年来，超透镜具有高度集成的小型化体积、高度灵活性、超高的数值孔径、打破衍射 极限和低损耗等显著优势，成为实现片上光镊子的有利工具。超透镜主要通过将纳米块进行 有规则的周期排列来对光的相位和振幅进行调控，其在远场形成的焦点具有很强的梯度力， 从而可以对微粒和生物细胞进行稳定的捕获和操控。
[0004]但目前超透镜应用在光力领域并没有过多讨论光源存在的带宽对粒子捕获稳定性的影 响。由于超材料的固有属性，使得超透镜存在着色差，这使得有一定带宽的入射光不能再同 一位置聚焦，对粒子受到光力、运动状态和捕获位置造成不稳定的影响。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种应用消色差超透镜对纳米粒子进行光学操纵的装置及方法，以解决现有 的超透镜对粒子捕获不稳定的问题。
[0006]基于上述目的，本专利技术实施例提供了一种应用消色差超透镜对纳米粒子进行光学操纵的 方法，包括：消色差超透镜和光源；所述消色差超透镜包括基底和垂直设置在所述基底上的 纳米柱；光源设置在所述消色差超透镜的靠近所述基底的一侧，所述光源发射的入射光通过 所述消色差超透镜，从所述纳米柱表面输出，所述消色差超透镜在焦点附近产生电场和磁场， 形成光力，捕获位于焦点附近的纳米粒子；所述光源发射的入射光的波长位于所述消色差超 透镜的消色差波长范围内。
[0007]可选的，所述消色差超透镜的消色差相位由所述入射光的所述消色差波长范围以及所述 消色差超透镜的焦距确定。
[0008]可选的，所述消色差超透镜的消色差相位应用粒子群算法优化，满足以下关系式：
[0009][0010]其中，为相位，λ为入射光的波长，(x，y)为的所述消色差超透镜表面距离中 心的位置，f为焦距，C(λ)为相位因子。
[0011]可选的，所述基底包括周期排列的多个纳米块，每个所述纳米块的中央设置一所述纳米 柱，所述纳米块的周期由所述入射光的所述消色差波长范围确定。
[0012]可选的，所述纳米柱为圆柱体结构，所述纳米柱的半径变化范围为50nm到200nm，所 述纳米柱的高度由所述消色差超透镜的消色差相位确定。
[0013]可选的，所述光源发射的入射光的所述消色差波长范围为1014nm到1114nm，带宽
为 100nm。
[0014]可选的，所述消色差超透镜的数值孔径由所述消色差超透镜的半径和焦距确定，取值范 围为0.9到0.98。
[0015]可选的，用包裹所述纳米粒子的正方体表征所述纳米粒子，所述消色差超透镜在焦点附 近形成的光力满足以下关系式：
[0016][0017][0018]其中，F为所述纳米粒子表面受到的光力，i和j代表所述正方体的x，y，z方向上的表 面，<T
ij
>为作用在垂直于j轴单位面积上的电磁场力在i轴上的麦克斯韦张量，为所述单 位面积上的法向量，Re表示取实部，ε和μ为焦点附近的相对介电常数和磁导率，δ
ij
为克 罗内客函数，E为所述纳米粒子表面的电场，E
*
为电场的共轭复数；H为所述纳米粒子表面 的磁场，H
*
为磁场的共轭复数。
[0019]可选的，所述消色差超透镜的所述基底应用二氧化硅材料，所述纳米柱应用材料硅。
[0020]基于同一专利技术构思，本专利技术实施例还提出了一种应用消色差超透镜对纳米粒子进行光学 操纵的方法，应用于前述的装置，所述方法包括：控制设置在消色差超透镜的靠近基底的一 侧的光源发射入射光，所述光源发射的入射光的波长位于所述消色差超透镜的消色差波长范 围内；通过所述消色差超透镜控制所述光源发射的入射光从所述纳米柱表面输出；通过所述 消色差超透镜在焦点附近产生电场和磁场，形成光力，捕获位于焦点附近的纳米粒子。
[0021]本专利技术的技术效果为，从上面所述可以看出，本专利技术实施例提供的一种应用消色差超透 镜对纳米粒子进行光学操纵的装置及方法，装置包括：消色差超透镜和光源；所述消色差超 透镜包括基底和垂直设置在所述基底上的纳米柱；光源设置在所述消色差超透镜的靠近所述 基底的一侧，所述光源发射的入射光通过所述消色差超透镜，从所述纳米柱表面输出，所述 消色差超透镜在焦点附近产生电场和磁场，形成光力，捕获位于焦点附近的纳米粒子；所述 光源发射的入射光的波长位于所述消色差超透镜的消色差波长范围内，能够对纳米粒子进行 更稳定的捕获，改善入射光波长所带来的影响，为多光源在同一点进行稳定的粒子捕获提供 了新的途径。
附图说明
[0022]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。
[0023]图1为本专利技术实施例中的应用消色差超透镜对纳米粒子进行光学操纵的装置的结
构示意 图；
[0024]图2为本专利技术实施例中的消色差超透镜中纳米块的结构示意图；
[0025]图3为消色差超透镜的焦距与全峰半高宽及聚集效率随波长变化示意图；
[0026]图4为本专利技术实施例中的不同入射光波长下消色差超透镜在x
‑
z平面的光场分布图；
[0027]图5为本专利技术实施例中的不同入射光波长下消色差超透镜的xy光场和全峰半高宽示意 图；
[0028]图6为本专利技术实施例中的消色差超透镜和色散超透镜下纳米粒子受到的沿x方向的光力 示意图；
[0029]图7为本专利技术实施例中的消色差超透镜和色散超透镜下SiO2粒子在z方向运动受到的光 力示意图；
[0030]图8为本专利技术实施例中的消色差超透镜和色散超透镜对SiO2粒子的z正负方向最大力及 平衡点位置比较示意图；
[0031]图9为本专利技术实施例中的消色差超透镜和色散超透镜对在x方向运动时的SiO2粒子的潜 在深度示意图；
[0032]图10为本专利技术实施例中的不同波长下消色差超透镜和色散超透镜对SiO2粒子在z方向 上的潜在深度示意图；
[0033]图11为本专利技术实施例中的应用消色差超透镜对纳米粒子进行光学操纵的方法的流程示 意图。
具体实施方式
[0034]为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图， 对本公开进一步详细说明。
[0035]需要说明的是，除非另外定义，本专利技术实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公 开所属领域内具有一般技能的人本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用消色差超透镜对纳米粒子进行光学操纵的装置，其特征是，所述装置包括：消色差超透镜和光源；所述消色差超透镜包括基底和垂直设置在所述基底上的纳米柱；光源设置在所述消色差超透镜的靠近所述基底的一侧，所述光源发射的入射光通过所述消色差超透镜，从所述纳米柱表面输出，所述消色差超透镜在焦点附近产生电场和磁场，形成光力，捕获位于焦点附近的纳米粒子；所述光源发射的入射光的波长位于所述消色差超透镜的消色差波长范围内。2.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述消色差超透镜的消色差相位由所述入射光的所述消色差波长范围以及所述消色差超透镜的焦距确定。3.如权利要求2所述的装置，其特征是，所述消色差超透镜的消色差相位应用粒子群算法优化，满足以下关系式：其中，为消色差相位，λ为入射光的波长，(x，y)为的所述消色差超透镜表面距离中心的位置，f为焦距，C(λ)为相位补偿因子。4.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述基底包括周期排列的多个纳米块，每个所述纳米块的中央设置一所述纳米柱，所述纳米块的周期由所述入射光的所述消色差波长范围确定。5.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述纳米柱为圆柱体结构，所述纳米柱的半径变化范围为50nm到200nm，所述纳米柱的高度由所述消色差超透镜的消色差相位确定。6.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述光源发射的入射光的所述消色差波长范围为1014nm到1114nm，带宽为100nm。7.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述消色差超透镜的数值孔径由所述消色差超透...

【专利技术属性】
技术研发人员：王焱，杨俊波，吴加贵，彭妙，程伟，彭政，成浩，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：