光波导天线器件、生物微粒分析仪及通过光场操控微粒的方法技术

本发明专利技术提供了一种光波导天线器件，包括：波导，所述波导具有第一端面、第二端面以及位于所述第一端面和第二端面之间的侧表面：和天线结构，所述天线结构位于所述波导的侧表面上，并具有多个沟槽，所述天线结构配置成可将所述波导内传播的光束耦出所述波导外部并在所述波导外部产生预设分布的光场以操控微粒。所述波导外部产生预设分布的光场以操控微粒。所述波导外部产生预设分布的光场以操控微粒。

【技术实现步骤摘要】
光波导天线器件、生物微粒分析仪及通过光场操控微粒的方法


[0001]本专利技术大致涉及光学
，尤其涉及一种光波导天线器件、生物微粒分析仪及通过光场操控微粒的方法。

技术介绍

[0002]宏观上很容易使用工具来操控物体，但是，在微观领域，人们很难使用宏观的工具来操控诸如电介质小球、生物细胞、生物大分子、病毒、量子点、原子这样的尺寸在微米量级甚至纳米量级的颗粒。即使假设现有技术可以将工具的尺寸加工到微米或者纳米量级，其物理接触的作用机制也很容易对目标物体造成损坏，尤其是生物目标。光操控是指依靠光学系统产生的具有特定能量和动量分布的光束来推动、拉动、牵引、捕获或者旋转微尺度的物体。
[0003]光操控系统的基本原理是：具有特定能量和动量分布的电磁场与处于其中的物体相互作用，产生动量交换，从而改变物体运动状态。
[0004]传统的光操控系统的结构通常比较复杂并且体积比较大，通常是通过一系列透镜将激光束聚焦，光束焦点附近的光强度分布不均匀，具有很大的梯度，即可用来捕获和操控微粒，但是，传统的基于透镜聚焦的光操控系统通常体积庞大，系统复杂，操作不易，还有一个最大的问题，该系统通常一次只能操控单个或者几个微粒，很难同时操控成百上千个微粒。随着光纤的出现，人们尝试将光纤端面加工成透镜或者将光纤拉锥来汇聚光束，这些方法也被证明是行之有效的操控微粒的方法，该方法相比于传统透镜系统，系统体积较小，结构也相对简单且操作更为灵活，但是其仍然无法同时精确操控很多个微粒。近几年，随着集成光学的发展，人们也尝试了通过超表面器件来调控光场的波阵面分布从而将光场聚焦的方法，该方法可与现有的CMOS工艺兼容，在一个芯片上加工多个超透镜来同时捕获多个微粒，但是，现有的大部分超透镜基于透射式或者反射式的工作方式，即入射光束都是在器件平面外的，这不利于建立一个包括光源、光操控器件、探测器在内的完全片上集成的系统。而实际上，在光操控几乎所有的生物应用中，生物目标都是在液体中的，这要求光操控系统需要很好地与微流控的通道相结合，即光操控器件要可以被大量集成在芯片上的微流体通道里，而以上所述三种光操控系统均不易于与微流体通道结合。
[0005]还有一种被广泛研究的光操控系统，该系统基于片上集成的光子器件，例如光波导、微环谐振腔、以及一维和二维光子晶体器件等，这些片上的器件具有上述所说的易于实现大量集成、易于与微流体通道结合的优势，但是，这些器件的工作机制也与上述不同，不是依靠聚焦光束，而是依靠器件表面仅仅只有几百纳米深度的倏逝场，越靠近光子器件表面，倏逝场的强度越大，该梯度也可以将微米尺度和纳米尺度的粒子进行捕获并且移动。但是，正如前描述的那样，倏逝场只有几百纳米的深度，而超出这个范围的微粒，是感受不到光力的，而微流体通道通常具有几微米至几百微米的高度，远远超出光子器件可以作用到的范围，所以倏逝场会大大限制器件的捕获范围和捕获效率，大部分的微粒不会被抓住。同
时，倏逝场存在于光子器件的几乎所有位置处的表面，这会在一些需要将微粒捕获在特定位置的使用环境中，对目标位置的捕获造成干扰，即微粒除了会被捕获在预想的位置，同时还有可能被捕获在器件其他位置的倏逝场中，对于需要定量定点操控微粒的研究，这显然是非常不利的。
[0006]
技术介绍
部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

技术实现思路

[0007]有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本专利技术提供一种光波导天线器件，包括：
[0008]波导，所述波导具有第一端面、第二端面以及位于所述第一端面和第二端面之间的侧表面：和
[0009]天线结构，所述天线结构位于所述波导的侧表面上，并具有多个沟槽，所述天线结构配置成可将所述波导内传播的光束耦出所述波导外部并在所述波导外部产生预设分布的光场以操控微粒。
[0010]根据本专利技术的一个方面，所述天线结构与所述波导集成在一起，所述沟槽为刻在所述波导的侧表面上的沟槽；或者所述天线结构与所述波导为单独的部件，所述天线结构贴附在所述波导的侧表面上。
[0011]根据本专利技术的一个方面，所述光波导天线器件还包括覆盖在所述天线结构上的覆盖层。
[0012]根据本专利技术的一个方面，所述覆盖层的厚度与所述波导周围的倏逝场的深度相关。
[0013]根据本专利技术的一个方面，所述覆盖层的表面是平坦的或非平坦的。
[0014]根据本专利技术的一个方面，所述波导为单模波导或多模波导，所述波导具有平板波导、矩形波导、脊型波导、狭缝波导、多层材料波导结构中的一种或多种。
[0015]根据本专利技术的一个方面，所述预设分布的光场由所述天线结构的沟槽的数目、沟槽的间隔、沟槽的深度、沟槽的宽度以及所述天线结构的宽度确定。
[0016]根据本专利技术的一个方面，所述多个沟槽呈非均匀分布，和/或所述多个沟槽的宽度是非均匀的。
[0017]根据本专利技术的一个方面，所述预设分布的光场为具有特定动量和能量分布的光场。
[0018]根据本专利技术的一个方面，所述沟槽的侧壁与所述波导的侧表面非垂直，和/或所述沟槽的侧壁与所述波导的纵向非垂直，和/或所述沟槽是非直线的。所述刻槽可贯穿波导侧壁或仅占波导部分侧壁。
[0019]根据本专利技术的一个方面，所述光波导天线器件还包括基底，所述基底设置在所述波导的与所述天线结构相反的一侧上。
[0020]根据本专利技术的一个方面，所述基底包括第一基底和第二基底，所述第一基底设置在所述波导的与所述天线结构相反的一侧上，所述第二基底设置在所述第一基底的与所述波导相反的一侧上。
[0021]根据本专利技术的一个方面，所述光波导天线器件还包括覆盖在所述天线结构上的覆
盖层，所述覆盖层仅覆盖所述天线结构，或者覆盖整个所述基底。
[0022]根据本专利技术的一个方面，所述第一基底的位于所述波导下方的至少一部分被去除。
[0023]根据本专利技术的一个方面，所述光波导天线器件具有两个所述天线结构，分别对应于从所述第一端面和第二端面耦入的光束。
[0024]根据本专利技术的一个方面，所述覆盖层的材料选自由以下材料构成的组中：Ge、Si、SiO2、SiC、SiN、Al2O3、LiNbO3、硫系玻璃、石墨烯、
Ⅲ‑Ⅴ
族化合物和聚合物材料。
[0025]根据本专利技术的一个方面，所述覆盖层经过生物处理。
[0026]根据本专利技术的一个方面，所述波导的材料选自由以下材料构成的组中：Ge、Si、SiO2、SiC、SiN、Al2O3、LiNbO3、硫系玻璃、石墨烯、
Ⅲ‑Ⅴ
族化合物和聚合物材料。
[0027]根据本专利技术的一个方面，所述光波导天线器件还包括光源，所述光源配置成可发射光束，所述光束被耦入所述波导，所述光源包括连续激光器、脉冲激光器、ps激光器、fs激光器、窄带激光器、宽带激光器或LED、SLED。
[0028]根据本专利技术的一个方面，所述波导和天线结构集成为光芯片，所述光源集成在所述光芯片上，或者与所述光芯片分离。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光波导天线器件，包括：波导，所述波导具有第一端面、第二端面以及位于所述第一端面和第二端面之间的侧表面：和天线结构，所述天线结构位于所述波导的侧表面上，并具有多个沟槽，所述天线结构配置成可将所述波导内传播的光束耦出所述波导外部并在所述波导外部产生预设分布的光场以操控微粒。2.如权利要求1所述的光波导天线器件，其中所述天线结构与所述波导集成在一起，所述沟槽为刻在所述波导的侧表面上的沟槽；或者所述天线结构与所述波导为单独的部件，所述天线结构贴附在所述波导的侧表面上。3.如权利要求1或2所述的光波导天线器件，还包括覆盖在所述天线结构上的覆盖层。4.如权利要求3所述的光波导天线器件，其中所述覆盖层的厚度与所述波导周围的倏逝场的深度相关。5.如权利要求4所述的光波导天线器件，其中所述覆盖层的表面是平坦的或非平坦的。6.如权利要求1或2所述的光波导天线器件，其中所述波导为单模波导或多模波导，所述波导具有平板波导、矩形波导、脊型波导、狭缝波导、多层材料波导结构中的一种或多种。7.如权利要求1或2所述的光波导天线器件，其中所述预设分布的光场由所述天线结构的沟槽的数目、沟槽的间隔、沟槽的深度、沟槽的宽度以及所述天线结构的宽度确定。8.如权利要求1或2所述的光波导天线器件，其中所述多个沟槽呈非均匀分布，和/或所述多个沟槽的宽度是非均匀的。9.如权利要求8所述的光波导天线器件，其中所述预设分布的光场为具有特定动量和能量分布的光场。10.如权利要求1或2所述的光波导天线器件，其中所述沟槽的侧壁与所述波导的侧表面非垂直，和/或所述沟槽的侧壁与所述波导的纵向非垂直，和/或所述沟槽是非直线的，所述刻槽可贯穿波导侧壁或仅占波导部分侧壁。11.如权利要求1或2所述的光波导天线器件，还包括基底，所述基底设置在所述波导的与所述天线结构相反的一侧上。12.如权利要求11所述的光波导天线器件，其中所述基底包括第一基底和第二基底，所述第一基底设置在所述波导的与所述天线结构相反的一侧上，所述第二基底设置在所述第一基底的与所述波导相反的一侧上。13.如权利要求11所述的光波导天线器件，还包括覆盖在所述天线结构上的覆盖层，所述覆盖层仅覆盖所述天线结构，或者覆盖整个所述基底。14.如权利要求12所述的光波导天线器件，其中所述第一基底的位于所述波导下方的至少一部分被去除。15.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：张林，仝欣，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：