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

技术领域

本发明属于超透镜技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

基于上述目的，本发明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。

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。

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：

其中，

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。

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。

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。

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。

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：

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，

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。

基于同一发明构思，本发明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。

本发明的技术效果为，从上面所述可以看出，本发明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

为了更清楚地说明本发明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发明实施 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。

图1为本发明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；

图2为本发明实施例中的消色差超透镜中纳米块的结构示意图；

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；

图4为本发明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；

图5为本发明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；

图6为本发明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；

图7为本发明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；

图8为本发明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；

图9为本发明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；

图10为本发明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；

图11为本发明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

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。

需要说明的是，除非另外定义，本发明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士所理解的通常意义。本发明实施例中使用的“第一”、“第二” 以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包 括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的 元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非 限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、 “下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对 位置关系也可能相应地改变。

本发明实施例还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装置。如附图 1所示，应用消色差超透镜对纳米粒子进行光学操纵的装置包括：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。本发明实 施例应用波长位于消色差波长范围内的入射光照射消色差超透镜，能够在消色差超透镜的焦 点附近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。

对于单焦点聚焦的超透镜使用的相位分布公式如下所示：

其中，

在本发明实施例中，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。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，

使用粒子群算法对相位补偿因子进行优化以满足消色差超透镜的相位分布。首先设置预 设大小的种群，如种群大小为50，并对种群中每个粒子速度和位置进行初始化。然后计算种 群中每个个体的适应度。其中适应度使用理想相位和实际相位的差值来进行计算，关系式如 下：

其中，

v

x

其中，w为惯性因子，设为0.9；c

在本发明实施例中，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，在近红外有着较高的折射率。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。中心波长位于消色差波长范围的中心的波长，为1064nm。消色差 超透镜的半径和焦躁可以根据需要进行设置，如消色差超透镜的半径设为12.5um，由周期排 列的纳米柱和纳米块组成，焦距设置为3um。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，优选为0.97。

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。纳米块的周期p约为入射光波长的一半， 即λ/2，例如周期p设置为500nm。纳米块的结构如图2所示，其中图2a为立体图，图2b 为主视图，图2c为俯视图，图2d为图2c的局部放大图。纳米块表面为正方形，纳米柱设置 在正中央。纳米柱为圆柱体结构，所述纳米柱的半径R的变化范围为50nm到200nm，纳米柱通过半径R的变化来满足其对应位置所需的相位分布。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，可以保证在不同入射波长下都完全覆盖了2π。例如纳米柱的高度设 置为650nm。

不同波长和半径下纳米柱的透射率不同，在本发明实施例中，透射率都可达到80％以上。 参见图3，其中，图3a为消色差超透镜的焦距与全峰半高宽随波长变化示意图；图3b为消 色差超透镜的聚集效率随波长变化示意图，可以看出，消色差后的超透镜的焦点变化平缓， 差距较小，并基本保持在3um处。而全峰半高宽则随着波长的增大而增大。消色差超透镜的 聚焦效率没有很大的分散，平均聚焦效率为44％。图4中图4a-图4e为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。可以直观看出消色差超透镜的焦点变化平缓，基本在 保持在z＝3um处，为之后消色差超透镜在不同的入射光波长下都能稳定捕获粒子奠定基础。 图5为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，其中图5a-图5e为不 同入射光波长下消色差超透镜的xy光场图，图5f-图5j为不同入射光波长下消色差超透镜的 全峰半高宽图。可以看出消色差超透镜的焦点基本不变，而随着波长增加全峰半高宽值也在 增加。

在本发明实施例中，使用麦克斯韦张量在纳米粒子表面的积分来计算纳米粒子在远场中 受到光力的大小。其中麦克斯韦张量由FDTD仿真软件得到的电磁数值计算。为简便积分， 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：

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，

为了验证本发明实施例的消色差超透镜的对纳米粒子的光学操纵结果，考虑到消色差超 透镜的平均全峰半高宽为797nm，因此纳米粒子的半径选择350nm，实验仿真的背景指数设 置为1，纳米粒子的材料设为SiO2，大于仿真环境折射率，入射光功率设置为100mW。分别 让SiO2粒子在z方向和x方向上运动，来计算SiO2粒子在不同位置所受到的光力。图6为 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，主要评估SiO2粒子在 z＝3um处并沿x方向运动时受到的光力。当Fx为正时，SiO2粒子受到沿x正方向的力，Fx 为负则相反，因此SiO2粒子可以在焦点中心处被捕获。图6a和图6b为不同波长下消色差超 透镜和色散超透镜对SiO2粒子产生x方向光力。可以看出，不同波长下，消色差超透镜和色 散超透镜都可以对SiO2粒子产生x方向的捕获力，即光力，平衡点都在(0，0)处，但是消色差超透镜在不同入射波长下对SiO2粒子的捕获力没有很大的波动，因此即使入射波长发生 改变，SiO2粒子所受到的捕获力和运动状态都可以保持稳定。而色散超透镜由于焦距差距较 大，不能很好稳定在z＝3um处，说明SiO2粒子受到的光力差距明显。图6c为不同波长下消 色差超透镜和色散超透镜对SiO2粒子沿x正方向的最大光力对比示意图，图6d为不同波长 下消色差超透镜和色散超透镜对SiO2粒子沿x负方向的最大光力对比示意图。由于超透镜为 对称结构，因此SiO2粒子受到x正方向和负方向的最大力相同，其中消色差超透镜x正/负 方向平均最大力为0.88pN，色散超透镜x正/负方向平均最大力为1.37pN。在消色差超透镜 中，SiO2粒子在不同波长下受到x方向的最大力比较集中，最大值和最小值相差0.26pN。而 色散超透镜最大值和最小值相差0.74pN，明显高于消色差超透镜。因此，在x方向上，消色 差超透镜更有利于保持被捕获粒子的运动状态的稳定性。

图7为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，其中图 7a为消色差超透镜，图7b为色散超透镜，按图中箭头方向从上到下入射光波长依次为1014nm、1039nm、1064nm、1089nm、1114nm。当Fz为正时，SiO2粒子受到沿z正方向的 力，Fz为负则相反，因此SiO2粒子可以在z方向焦点的波峰处被捕获。不同波长下，消色 差超透镜和色散超透镜都可以对SiO2粒子产生z方向的捕获力，其中在消色差超透镜中，SiO2 粒子在z方向上的平衡点与色散超透镜相比更为集中，使得SiO2粒子被捕获的位置差距较小， 降低入射波带宽对纳米粒子捕获位置的影响。同时，在不同波长下，消色差超透镜对SiO2 粒子在z方向上受到的光力差距较小，而色散超透镜则存在着明显的差别。但值得注意的是， 在消色差超透镜中，当SiO2粒子在同一个位置时，不同波长下，SiO2粒子受到的光力大小 存在着差距，这是由于消色差超透镜没有完全消除色散导致的结果，但优化后的消色差超透镜的效果已经明显优于色散超透镜。

图8为消色差超透镜和色散超透镜对SiO2粒子的z正方向、负方向最大力及平衡点位置 比较示意图。图8a和图8b分别显示出消色差超透镜和色散超透镜中，SiO2粒子在不同波长 下受到z正方向和负方向光力的最大值对比。消色差超透镜和色散超透镜在z正方向平均最 大力分别为0.72pN和1.13pN，z负方向平均最大力分别0.52pN和0.76pN。其中在消色差超 透镜中，SiO2粒子在不同波长下受到z方向的最大光力更为集中，z正方向和负方向最大光 力差值分别为0.17pN和0.06pN。而色散超透镜z正方向和负方向最大光力差值为0.33pN和 0.3pN，明显高于消色差超透镜。图8c为消色差超透镜和色散超透镜平衡点位置比较，可以 看出消色差超透镜的平衡点位置更为集中，差值为0.72um。而色散超透镜平衡点位置差值为1.05um，明显大于消色差超透镜。因此，在z方向上，消色差超透镜更有利于保持被捕获粒 子的运动状态和被捕获位置的稳定性。

为评估SiO2粒子在平衡点被捕获的稳定性，使用集成光镊子来计算SiO2粒子在不同位 置的潜在深度，应用关系式：

图10为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。其中，图10a-图10b分别为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，在平衡点处的潜在深度均远远大于K

本发明实施例的应用消色差超透镜对纳米粒子进行光学操纵的装置应用高数值孔径的消 色差超透镜对纳米粒子进行稳定的捕获，使用粒子群算法对超透镜相位分布进行优化以满足 不同波长所需要的相位补偿，所得到的消色差超透镜的数值孔径可以达到0.97，并且不同波 长的焦距位置变化更平缓，基本保持在z＝3um处，平均聚焦效率为44％。通过将半径为350nm 的SiO2粒子在x方向和z方向移动，模拟仿真计算粒子在消色差超透镜和色散超透镜下不同 波长所受到的光力。结果表明，在入射波存在带宽情况下，消色差超透镜在x方向和z方向 对SiO2粒子的平均最大光力分别为0.88pN和0.72pN，并且对SiO2粒子的捕获力更为接近， 且平衡点也更为集中，使得SiO2粒子运动状态和被捕获位置在入射波长改变下都能保持稳 定，与色散超透镜相比更有利于对纳米粒子进行稳定的捕获，增加了超透镜在光力应用的实 用性，为多光源在同一点进行稳定的粒子捕获提供了新的途径。

本发明实施例的应用消色差超透镜对纳米粒子进行光学操纵的装置包括：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。

基于同一发明构思，本发明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。如附图11所示，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，该方法包括：

步骤S11：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。

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。中心波 长位于消色差波长范围的中心的波长，为1064nm。光源发射的入射光可以是消色差波长范围 内的任一波长的入射光。

步骤S12：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。

步骤S13：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。

位于消色差波长范围内的任一波长的入射光照射消色差超透镜，都可以在消色差超透镜 的焦点附近产生产生电场和磁场，形成光力，且该光力集中，更有利于保持被捕获粒子的运 动状态的稳定性。

上述对本发明特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些 情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然 可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序 才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有 利的。

上述实施例的方法用于实现前述实施例中相应的装置，并且具有相应的装置实施例的有 益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗 示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不 同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的 本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因 此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含 在本公开的保护范围之内。