[发明专利]基于表面等离激元透镜的光镊装置

说明书

本发明提供了一种基于表面等离激元透镜的光镊装置，所述光镊装置包括基底、金属层、光栅以及设于所述光栅上方的半椭圆柱透镜；所述光栅刻蚀在所述金属层上；当入射光从所述基底垂直入射到光栅时，金属层和半椭圆柱透镜之间激发形成表面等离激元；一对反向传播的所述表面等离激元形成干涉条纹，以在带有所述表面等离激元的半椭圆柱透镜中央形成表面等离激元增强点。本发明基于表面等离激元透镜的光镊装置实现了对光能量在亚波长范围的限制，且能在提高局部电场强度捕获粒子的同时用更高的空间精确度对粒子进行操控。

技术领域

本发明涉及一种基于表面等离激元透镜的光镊装置，属于集成光学领域。

背景技术

光学捕获又称光镊，指的是一种使用光散射将微纳米尺寸的物体固定在一个特定位置的技术。在1987年，Arthur Ashkin等人首次将光镊应用于生物学中，成功捕获了单个烟草花叶病毒、大肠杆菌和活细胞。与其他常规机械镊子相比，光镊能够以非直接接触和无损伤的方式捕获和操纵整个粒子，适用于捕获和操纵易受攻击的生物细胞。此外，光镊还被广泛应用于多个领域，例如生物分子分类、拉曼光谱、超分辨成像技术等。

经过几十年的发展与研究，使用光镊捕获微米级的介电粒子已经是相对成熟且完善的技术。然而，当捕获对象是尺寸为纳米级的粒子时，传统光镊由于聚焦光斑尺寸的衍射极限，在精确捕获微粒方面存在重大缺陷。此外，当粒子尺寸远小于入射波长时，被称为瑞利粒子。在瑞利机制中，作用在被捕获粒子上的梯度力与粒子半径的三次方成正比，而散射力与粒子半径的六次方成正比。这导致粒子直径很小时，作用在微粒上的光学梯度力十分有限，而辐射压力相对增加，不能稳定地捕获粒子。

有鉴于此，确有必要提出一种基于表面等离激元透镜的光镊装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于表面等离激元透镜的光镊装置，以实现对光能量在亚波长范围的限制，且能在提高局部电场强度捕获粒子的同时用更高的空间精确度对粒子进行操控。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于表面等离激元透镜的光镊装置，所述光镊装置包括基底、金属层、光栅以及设于所述光栅上方的半椭圆柱透镜；所述光栅刻蚀在所述金属层上；当入射光从所述基底垂直入射到光栅时，金属层和半椭圆柱透镜之间激发形成表面等离激元；一对反向传播的所述表面等离激元形成干涉条纹，以在带有所述表面等离激元的半椭圆柱透镜中央形成表面等离激元增强点。

作为本发明的进一步改进，所述基底为二氧化硅，所述金属层为Au，所述半椭圆柱透镜为Si₃N₄波导。

作为本发明的进一步改进，所述入射光为高斯光，所述入射光的波长为785nm，初始相位为

作为本发明的进一步改进，所述表面等离激元增强点通过改变所述入射光的初始相位以调节其在二维平面上的位置。

作为本发明的进一步改进，所述光栅为周期为Λ的全刻蚀光栅，以提高表面等离激元的激发效率。

作为本发明的进一步改进，所述光栅的周期为360nm，所述金属层的厚度为200nm。

作为本发明的进一步改进，所述表面等离激元的表面半椭圆的半长轴为a，半短轴的长度和所述半椭圆柱透镜的宽度一致。

作为本发明的进一步改进，所述半长轴a为2.9um，所述半短轴的长度和所述半椭圆柱透镜的宽度为2.5um。

作为本发明的进一步改进，所述表面等离激元在纵向方向上有亚波长范围的局域场增强，处于所述金属层上表面的光场对粒子进行有效捕获。

作为本发明的进一步改进，所述入射光的光束功率为50mW。

本发明的有益效果是：本发明基于表面等离激元透镜的光镊装置与现有的用于粒子捕获的传统光镊相比具有如下优点：