基于阿基米德螺旋结构的光捕获和光操控研究

• 作 者: 黎晓明亮
• 出 处: 兰州大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 轨道角动量 光镊 阿基米德螺旋 超表面 表面等离子体 光操控

在过去的几十年里,因为光波能携带角动量,这为光通信及光操控提供了全新的维度,其潜在应用引起了研究人员的极大关注。在自由空间中,携带OAM(Orbital Angular Momentum)的光波表现出螺旋状的相位波前,因而通常被称为旋涡光(Optical Vortex)。若要用圆极化平面波使米氏粒子旋转,往往需要粒子本身是各向异性、吸收性或具有双折射率,这样粒子上各处动量转移不平衡导致粒子能够自旋转。然而,各向同性的均匀米氏粒子在圆极化平面波照射下,受到光轴方向的线性动量作用,仅发生平移而无法旋转。如果在平面波中添加一个相位旋转因子,使得波前不再是平面结构,而是呈现出螺旋相位结构,即构成涡旋光场,均匀粒子接受到光子转移过来的轨道角动量,就可以发生旋转。产生携带有OAM的可控涡旋光,实现各向同性微粒的光学捕获和光学微操控,是发展新型多功能纳米光镊技术必须解决的关键问题之一。阿基米德螺旋超表面能提供额外的几何相位,让入射平面光通过后能产生携带有OAM的光旋涡。而且,当入射光的手性(左旋或右旋圆极化)与亚波长螺旋结构的手性相同或相反时,所激发的表面等离子场也将呈现出两种完全不同的形态,这为光操控及其在生物医学领域的应用开拓了广阔前景。二维阿基米德螺旋超表面在左旋/右旋圆极化光的作用下可形成焦点或光涡旋,能够捕获或旋转各向同性微粒。相比于传统的激光光镊,这种等离子体光镊具有更低输入功率、更强的光梯度力等诸多优点。但是,二维阿基米德螺旋结构超表面形成的等离子体场仅存在于金膜表面,相应的捕获区域也仅在该表面上,这对于操纵形状不规则的微粒具有较大的局限性,也不利于实现真正的三维微操控。本文首次提出了一种三维等离子体阿基米德螺旋透镜(3D Plasmonic Archimedes Spiral Lens,3D PASL),并对三维模型进行了理论分析和数值仿真。通过控制近场等离子体的角动量,可以在结构的中心处获得焦点或等离子体涡旋场。我们详细研究了几个结构参数对焦点或等离子体涡旋位置以及聚焦强度的影响,发现可以通过改变结构的高度来调整聚焦点/平面涡旋位置,从而克服了平面二维阿基米德螺旋仅能在金膜表面操纵微粒的缺陷。由于3D PASL具有漏斗状的特殊结构,可以直接盛放液态生物样品,并进行局部搅拌分层或者捕获特定的生物活体细胞,这种天然优势有利于实际应用。理论分析发现,2D PASL中相邻螺旋间距必须等于表面等离子体波长才能形成聚焦或光涡旋,而本文中的3D PASL对相邻螺旋间距没有严格的参数约束,这使得我们所设计的3D PASL结构比2D PASL更加灵活。该结构能在微机械系统、光流体操控装置、微生物学和生物光子学研究等方面找到许多潜在的应用,还能在分析DNA或蛋白质的构象变化中充当可控的局部旋涡搅拌器。