基于金微環(huán)諧振器的表面等離子體光鑷研究.pdf

1、目前，光鑷技術(shù)憑借非接觸操作、精確度高、無(wú)機(jī)械損傷等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)和生物等研究領(lǐng)域中。而基于表面等離子體共振現(xiàn)象的近場(chǎng)光鑷?yán)觅渴艌?chǎng)梯度，能夠突破衍射極限并增大光捕獲力，表現(xiàn)出了比傳統(tǒng)激光光鑷更優(yōu)異的性能。在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注如何在低功率下得到更大的光捕獲力，以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的微粒操控。
　　本文介紹了一種可以捕獲和驅(qū)動(dòng)介質(zhì)納米粒子的跑道型金微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)，利用其諧振特性對(duì)金膜表面激發(fā)的表面等離子體波進(jìn)行增

2、強(qiáng)，從而捕獲微粒并驅(qū)動(dòng)其以恒定的速度繞跑道轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)數(shù)值有限元方法和麥克斯韋應(yīng)力張量積分討論了介質(zhì)納米顆粒所受的光學(xué)力，在相同的輸入功率下，半徑為50nm的粒子在金跑道型微環(huán)諧振器上所受到的光學(xué)力及運(yùn)動(dòng)速度是在直波導(dǎo)上的3~5倍。本文詳細(xì)討論了單個(gè)納米粒子在微諧振器不同位置處的運(yùn)動(dòng)行為，為捕獲和操縱多個(gè)納米粒子并預(yù)測(cè)它們的運(yùn)動(dòng)軌跡提供更多的細(xì)節(jié)。
　　如何防止表面等離子體波在傳播方向迅速衰減是近場(chǎng)光捕獲需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。本文

3、設(shè)計(jì)了一個(gè)以金微環(huán)諧振器為關(guān)鍵器件、以表面等離子體波的相長(zhǎng)干涉為核心的近場(chǎng)光鑷。該結(jié)構(gòu)利用在金表面激發(fā)的表面等離子體波捕獲介電納米顆粒，而表面等離子體波在微環(huán)諧振器中的相長(zhǎng)干涉作用能夠極大增強(qiáng)局部光場(chǎng)，從而提高捕獲粒子所需的梯度力，并驅(qū)動(dòng)其圍繞跑道結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。
　　本文結(jié)合微粒的布朗運(yùn)動(dòng)與光力作用，得出了克服微粒布朗運(yùn)動(dòng)所需最小勢(shì)阱，從而得到裝置能夠穩(wěn)定捕獲的最小功率。利用經(jīng)典DLVO理論計(jì)算了聚苯乙烯微粒與波導(dǎo)間的縱向相互作用勢(shì)，

4、直接從微觀層次驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)假設(shè)的正確性。對(duì)于溶液濃度及溫度對(duì)捕獲力的影響也進(jìn)行了一定的分析。
　　本文利用斯托克斯粘滯阻力公式計(jì)算了微粒繞軌道轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，并討論了單個(gè)納米微粒在微環(huán)不同位置時(shí)的運(yùn)動(dòng)行為及詳細(xì)捕獲情況，為預(yù)測(cè)多個(gè)微粒運(yùn)動(dòng)軌跡提供了理論依據(jù)。利用有限元法及麥克斯韋應(yīng)力張量法，結(jié)合仿真具體討論了影響捕獲力大小和微粒速度的因素。文章最后，預(yù)測(cè)了多個(gè)微粒的捕獲情況及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分析了實(shí)際加工情況，設(shè)計(jì)了光柵激發(fā)結(jié)構(gòu)，并對(duì)三維模型