一种spp光镊系统的制作方法
一种spp光镊系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于近场光学技术领域，特别涉及一种SPP光镊系统。
【背景技术】
[0002]近年来，由于金属纳米粒子独特的化学和物理特性，金属粒子在生物化学、催化、表面拉曼散射增强等领域都显示出非常重要的应用前景，逐渐提升了人们对操控金属粒子的需求。然而，由于金属粒子的高吸收、高散射特性，在传统的激光光镊中金属粒子(尤其100纳米至几微米量级的介观尺寸金属粒子)往往会被聚焦光斑的散射力推开而无法实现稳定捕获，因此对金属粒子的稳定捕获与操纵仍然是一个亟待解决的问题。
[0003]微观粒子在光场中通常会受到两种力的作用，即由粒子周围光强分布不均匀产生的梯度力(一般表现为吸引力)，和由粒子对光的散射与吸收产生的散射力(一般表现为排斥力)。当光镊对其产生的吸引力大于排斥力时，粒子就会被光镊系统捕获。虽然传统激光光镊在捕获与操纵介质粒子上表现得很出色，但是由于金属粒子高吸收、高散射特性产生的散射力远大于介质粒子，而且随着金属粒子尺寸的增大，散射力比梯度力增长得更快，所以金属粒子往往由于排斥力比吸引力大而无法被传统激光光镊捕获。
[0004]表面等离激元(SPP)是一种局域在金属表面由自由电子与入射光子相互耦合共振所形成的一种混合激发模式，具有近场增强及表面局域的特性。近年来通过对SPP的研宄发现，由于SPP的近场电磁场增强特性，金属微纳结构中激发的SPP能够增强介质及金属粒子在光场中受到的吸引力，这为金属粒子的稳定捕获与操纵提供了新的可行性。
[0005]基于SPP对金属粒子吸引力的增强效应提出的新型SPP光镊，成功实现了对几十纳米至几微米尺寸金属粒子的稳定捕获和动态操纵。该SPP光镊由轴对称径向偏振光束经高数值孔径物镜会聚于金膜表面产生，由于SPP的传播特性，径向偏振光激发产生的SPP会沿金膜表面向光轴中心传播，并在中心处干涉产生一个强度极高的虚拟探针。基于金膜表面SPP场强度的非均匀分布，金属粒子在SPP场中会受到一个指向SPP场中心的极强的梯度力作用，以及一个较弱的由SPP向中心传播过程中对粒子施加的同方向散射力作用。不同于激光光镊中金属粒子通常会由于过强的散射力而被推开，SPP光镊中占主导作用的梯度力与较弱的散射力方向相同，都指向SPP场中心，因此金属粒子在SPP光镊中会受到更强更稳定的吸引力，从而克服了激光光镊中金属散射力过大的问题。这种SPP光镊不仅能够更加稳定地捕获纳米到微米尺度的金属粒子，对于一些非金属粒子或微纳结构如纳米线也都具有捕获、操纵的能力。
[0006]但是现有SPP光镊技术，由于对金属粒子的极强吸引力，往往会将SPP场中多个金属粒子都吸引到中心区域形成团簇，对捕获和操纵的金属粒子的数量尚无法实现精确控制，尤其是无法实现对单一金属粒子的捕获和操纵。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题是，提供一种SPP光镊系统，实现对单一金属粒子的捕获及操纵。本发明是这样实现的:
[0008]一种SPP光镊系统，用于操控金属与介质界面上的金属粒子，包括激发光源单元、监控系统及光镊显微平台；所述光镊显微平台包括一载物台，所述金属与介质界面形成于所述载物台上；所述激发光源单元用于产生两束非相干激光；所述两束非相干激光分别在所述金属与介质界面产生汇聚SPP场和发散SPP场，所述汇聚SPP场包含在所述发散SPP场内；所述汇聚SPP场形成势阱，以束缚位于其范围内的金属粒子；所述发散SPP场排斥位于其范围外的金属粒子；
[0009]所述光镊显微平台与所述监控系统连接，用于获取所述金属与介质界面的显微图像，并将其发送到所述监控系统；
[0010]所述监控系统用于显示所述显微图像，以及控制所述载物台与所述激发光源单元相对运动，使所述汇聚SPP场和发散SPP场与所述金属与介质界面相对运动，以调节所述汇聚SPP场和发散SPP场的大小或移动被所述汇聚SPP场束缚的金属粒子；
[0011]在所述汇聚SPP场和发散SPP场与所述金属与介质界面相对运动的过程中，所述汇聚SPP场始终包含在所述发散SPP场内。
[0012]进一步地，所述两束非相干激光被合成同轴激光束，其在所述金属与介质界面所产生的汇聚SPP场和发散SPP场为同心SPP场。
[0013]进一步地，所述激发光源单元包括合束器、两个激光器、两套光路组件；所述两个激光器与所述两套光路组件一一对应；两个激光器产生的激光分别通过各自对应的光路组件，再通过所述合束器合束成同轴激光束。
[0014]进一步地，所述光路组件包括沿光路依次设置的正透镜组、偏振片、四分之一波片、螺旋相位片、角向滤波器及半波片组。
[0015]进一步地，所述光镊显微平台还包括高数值孔径物镜及分束器；所述同轴激光束依次通过所述分束器及高数值孔径物镜在所述金属与介质界面产生同心的汇聚SPP场和发散SPP场；
[0016]所述监控系统包括CCD相机、计算机及载物台控制系统；
[0017]所述CCD相机通过所述分束器及高数值孔径物镜获取所述金属与介质界面的显微图像；
[0018]所述计算机与所述CCD相机连接，用于接收并显示所述显微图像；
[0019]所述计算机还通过所述载物台控制系统与所述载物台连接，用于通过所述载物台控制系统控制所述载物台与所述激发光源单元相对运动。
[0020]进一步地，所述CXD相机与所述分束器之间的光路上还设置有滤光片。
[0021]与现有技术相比，本发明通过在金属与介质界面上分别形成汇聚SPP场与发散SPP场，并使汇聚SPP场包含在发散SPP场内，通过汇聚SPP场形成的势阱对金属粒子进行捕获和操纵。在捕获和操纵金属粒子的过程中，发散SPP场可将位于其范围外的金属粒子排斥在外，从而确保汇聚SPP场不会将过多金属粒子束缚。只要恰当调节汇聚SPP场及发散SPP场的大小就可对捕获和操纵的金属粒子的数量实现精确控制，甚至实现只对单一金属粒子进行捕获及操纵。本发明在表面增强拉曼散射(SERS)研宄等前沿领域具有非常重要的意义。
【附图说明】
[0022]图1a:汇聚SPP场形成原理示意图；
[0023]图1b:汇聚SPP场波矢传播示意图；
[0024]图2a ??发散SPP场形成原理示意图；
[0025]图2b:发散SPP场波矢传播示意图；
[0026]图3:本发明SPP光镊系统所形成的SPP场对金属粒子的力学作用示意图；
[0027]图4:本发明SPP光镊系统组成示意图。
【具体实施方式】
[0028]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0029]本发明SPP光镊系统用于操控金属与介质界面上的金属粒子，包括激发光源单元、监控系统及光镊显微平台。
[0030]光镊显微平台包括一载物台，金属与介质界面形成于该载物台上。激发光源单元产生两束非相干激光，并使这两束非相干激光分别在金属与介质界面产生汇聚SPP场和发散SPP场，且汇聚SPP场包含在发散SPP场内。汇聚SPP场形成势阱，以束缚位于其范围内的金属粒子，发散SPP场排斥位于其范围外的金属粒子。需注意的是，需要捕获的金属粒子位于介质中，并非指“金属与介质界面I”中所述的“金属”，而是指介质中的金属。
[0031]光镊显微平台与监控系统连接，可获取所述金属与介质界面的显微图像，并将其发送到所述监控系统。所述监控系统可显示接收到的显微图像，以及控制载物台与激发光源单元相对运动，使汇聚SPP场和发散SPP场与金属与介质界面相对运动，以调节所述汇聚SPP场和发散SPP场的大小或移动被所述汇聚SPP场束缚的金属粒子。需注意的是，在所述汇聚SPP场和发散SPP场与所述金属与介质界面相对运动的过程中，所述汇聚SPP场需始终包含在所述发散SPP场内，这样才能保证发散SPP场将多余的金属粒子排斥在外，不被汇聚SPP场捕获。
[0032]利用本发明，只要适当调节汇聚SPP场及发散SPP场的大小，就可对捕获和操纵的金属粒子的数量实现精确控制，甚至实现只对单一金属粒子进行捕获及操纵。
[0033]以下结合附图对本发明原理进行详细解释。图1a及图2a分别是汇聚SPP场及发散SPP场的形成原理示意图，如果激光焦点F位于金属与介质界面I之后，则形成的是汇聚SPP场 ，如果激光焦点F位于金属与介质界面I之前，则形成的是发散SPP场。图1b及图2b分别是汇聚SPP场及发散SPP场的波矢传播示意图，汇聚SPP场波矢向中心传播，汇聚SPP场中的金属粒子受到其库仑力作用而被束缚在其中心附近，此时，汇聚SPP场的作用相当于一个势阱，以囚禁位于其范围内的金属粒子。而发散SPP场波矢向外传播，发散SPP场外的金属粒子将会受到排斥的库仑力，从而保持在发散SPP场外。
[0034]根据汇聚SPP场与发散SPP场对金属粒子的力学作用可知，只要使汇聚SPP场包含在发散SPP场内，通过恰当调整汇聚SPP场与发散SPP场的大小，就可以控制该光镊系统只束缚一定范围内的金属粒子，甚至只束缚一个金属粒子。图3所示为本发明SPP光镊系统在金属与介质界面I所形成的SPP场对金属粒子的力学作用示意图，图中各黑斑为金属粒子，外环为发散SPP场，其外部的金属粒子将被排斥在发散SPP场之外，内环为汇聚SPP场，其内部的金属粒子将被束缚在汇聚SPP场内。只要保证汇聚SPP场包含在发散SPP场内，即使在由该汇聚SPP场与发散SPP场形成的双SPP场与金属与介质界面I做相对移动的过程中，也能稳定束缚汇聚SPP场内的金属粒子，同时，使发散SPP场以外的金属粒子排斥在夕卜。同时，由于SPP与金属粒子的作用能有效激发金属粒子的局域表面等离基元，金属粒子的局域表面等离激元与金属与介质表面的表面等离激元发生杂化作用有助于加强汇聚SPP场对金属粒子束缚作用。
[0035]为保证捕获金属粒子过程的稳定性，最好使汇聚SPP场与发散SPP场形成同心SPP场，这可以通过将两束非相干激光合成同轴激光束实现。对金属粒子进行移动时，可使激发光源单元的聚焦位置保持固定(即保持汇聚SPP场及发散SPP场固定)，通过监控系统移动载物台，使金属与介质界面I与激发光源单元的聚焦位置相对移动，以移动被束缚的金属粒子。
[0036]以下为本发明一具体实施例。
[0037]如图4所示，该SPP光镊系统包括激发光源单元100、光镊显微平台200及监控系统 300。
[0038]激发光源单元100包括两个激光器2、两套光路组件以及一个合束器9，两个激光器2与两套光路组件一一对应。两个激光器2产生的激光分别经过各自对应的光路组件形成径向偏振光束，两条径向偏振光束经合束器9合束形成同轴激光束。两个激光器2采用具有不同发散角的非相干激光光源；每一套光路组件均包括沿光路依次设置的正透镜组3、偏振片4、四分之一波片5、螺旋相位片6、角向滤波器7及半波片组8。通过旋转螺旋相位片6使激光束获得角动量可实现对捕获的金属粒子或金属钠米线的旋转操作。
[0039]光镊显微平台200由光学显微镜改造而成，光镊显微平台200包括一载物台12及高数值孔径物镜11，玻片13固定在载物台12上。经合束器9合束形成的同轴激光束再依次经分束器10及高数值孔径物镜11照射在玻片13上。玻片13上镀有45nm厚的金膜作为金属膜，将含有金属粒子的溶液滴在玻片13上，形成金膜与溶液界面。此时的金膜与溶液界面就相当于前述的金属与介质界面1，该金膜就是金属，该溶液就为介质。分别调节两束激光束的发散角，使其中一束激光光束大于另一束激光束，并使较大激光束的焦点位于金膜与溶液界面之前，以在金膜与溶液界面上激发形成较大的发散SPP场，使较小激光束的焦点位于金膜与溶液界面之后，以在金膜与溶液界面激发形成较小的汇聚SPP场。通过调节两条激光束的发散角或者调节载物台12与高数值孔径物镜11的轴向距离可调节汇聚SPP场及发散SPP场的大小。
[0040]监控系统300包括CXD相机14、计算机15及载物台控制系统16。金膜与溶液界面的显微图像通过高数值孔径物镜11及分束器10由CXD相机14捕获。CXD相机14与分束器10之间还可设置一滤光片，用于滤除激发光。CXD相机14与计算机15连接，CXD相机14将捕获的金膜与溶液界面的显微图像发送到计算机15并通过计算机15显示，操作人员可在计算机15上实时观察金属粒子的捕获及操纵过程。计算机15还通过载物台控制系统16与载物台12连接，操作人员可通过计算机15发送控制命令到载物台控制系统16，通过载物台控制系统16控制载物台12运动，使载物台12与激发光源单元100相对移动，实现对汇聚SPP场及发散SPP场大小的调节以及对金属粒子的移动等操作。调节载物台12与高数值孔径物镜11的轴向距离可同步调节汇聚SPP场及发散SPP场的大小；控制载物台12沿垂直于高数值孔径物镜11轴向的方向移动可使汇聚SPP场及发散SPP场与金膜与溶液界面相对移动，实现对金属粒子的移动等操作。一般而言是保持激发光源单元100固定不同，同轴激光束的两束激光的发散角不变，通过控制载物台12的运动实现对汇聚SPP场及发散SPP场大小的调节以及对金属粒子的移动等操作。
[0041]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种SPP光镊系统，用于操控金属与介质界面上的金属粒子，包括激发光源单元、监控系统及光镊显微平台；所述光镊显微平台包括一载物台，所述金属与介质界面形成于所述载物台上；其特征在于: 所述激发光源单元用于产生两束非相干激光；所述两束非相干激光分别在所述金属与介质界面产生汇聚SPP场和发散SPP场，所述汇聚SPP场包含在所述发散SPP场内；所述汇聚SPP场形成势阱，以束缚位于其范围内的金属粒子；所述发散SPP场排斥位于其范围外的金属粒子； 所述光镊显微平台与所述监控系统连接，用于获取所述金属与介质界面的显微图像，并将其发送到所述监控系统； 所述监控系统用于显示所述显微图像，以及控制所述载物台与所述激发光源单元相对运动，使所述汇聚SPP场和发散SPP场与所述金属与介质界面相对运动，以调节所述汇聚SPP场和发散SPP场的大小或移动被所述汇聚SPP场束缚的金属粒子； 在所述汇聚SPP场和发散SPP场与所述金属与介质界面相对运动的过程中，所述汇聚SPP场始终包含在所述发散SPP场内。2.如权利要求1所述的SPP光镊系统，其特征在于，所述两束非相干激光被合成同轴激光束，其在所述金属与介质界面所产生的汇聚SPP场和发散SPP场为同心SPP场。3.如权利要求2所述的SPP光镊系统，其特征在于，所述激发光源单元包括合束器、两个激光器、两套光路组件；所述两个激光器与所述两套光路组件一一对应；两个激光器产生的激光分别通过各自对应的光路组件，再通过所述合束器合束成同轴激光束。4.如权利要求3所述的SPP光镊系统，其特征在于，所述光路组件包括沿光路依次设置的正透镜组、偏振片、四分之一波片、螺旋相位片、角向滤波器及半波片组。5.如权利要求2所述的SPP光镊系统，其特征在于，所述光镊显微平台还包括高数值孔径物镜及分束器；所述同轴激光束依次通过所述分束器及高数值孔径物镜在所述金属与介质界面产生同心的汇聚SPP场和发散SPP场； 所述监控系统包括CCD相机、计算机及载物台控制系统； 所述CCD相机通过所述分束器及高数值孔径物镜获取所述金属与介质界面的显微图像； 所述计算机与所述CCD相机连接，用于接收并显示所述显微图像； 所述计算机还通过所述载物台控制系统与所述载物台连接，用于通过所述载物台控制系统控制所述载物台与所述激发光源单元相对运动。6.如权利要求5所述的SPP光镊系统，其特征在于，所述CCD相机与所述分束器之间的光路上还设置有滤光片。
【专利摘要】本发明涉及一种SPP光镊系统，用于操控金属与介质界面上的金属粒子，包括激发光源单元，所述激发光源单元用于产生两束非相干激光；两束非相干激光分别在所述金属与介质界面产生汇聚SPP场和发散SPP场；所述汇聚SPP场包含在所述发散SPP场内；所述汇聚SPP场形成势阱，以捕获位于其范围内的金属粒子；所述发散SPP场排斥位于其范围外的金属粒子。本发明可对捕获和操纵的金属粒子的数量实现精确控制，甚至实现只对单一金属粒子进行稳定捕获及操纵，在表面增强拉曼散射(SERS)研究等前沿领域具有非常重要的意义。
【IPC分类】G21K1/00
【公开号】CN104900291
【申请号】CN201510195617
【发明人】袁小聪, 闵长俊, 张聿全, 沈军峰, 朱思伟
【申请人】深圳大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月23日
【技术领域】
[0001]本发明属于近场光学技术领域，特别涉及一种SPP光镊系统。
【背景技术】
[0002]近年来，由于金属纳米粒子独特的化学和物理特性，金属粒子在生物化学、催化、表面拉曼散射增强等领域都显示出非常重要的应用前景，逐渐提升了人们对操控金属粒子的需求。然而，由于金属粒子的高吸收、高散射特性，在传统的激光光镊中金属粒子(尤其100纳米至几微米量级的介观尺寸金属粒子)往往会被聚焦光斑的散射力推开而无法实现稳定捕获，因此对金属粒子的稳定捕获与操纵仍然是一个亟待解决的问题。
[0003]微观粒子在光场中通常会受到两种力的作用，即由粒子周围光强分布不均匀产生的梯度力(一般表现为吸引力)，和由粒子对光的散射与吸收产生的散射力(一般表现为排斥力)。当光镊对其产生的吸引力大于排斥力时，粒子就会被光镊系统捕获。虽然传统激光光镊在捕获与操纵介质粒子上表现得很出色，但是由于金属粒子高吸收、高散射特性产生的散射力远大于介质粒子，而且随着金属粒子尺寸的增大，散射力比梯度力增长得更快，所以金属粒子往往由于排斥力比吸引力大而无法被传统激光光镊捕获。
[0004]表面等离激元(SPP)是一种局域在金属表面由自由电子与入射光子相互耦合共振所形成的一种混合激发模式，具有近场增强及表面局域的特性。近年来通过对SPP的研宄发现，由于SPP的近场电磁场增强特性，金属微纳结构中激发的SPP能够增强介质及金属粒子在光场中受到的吸引力，这为金属粒子的稳定捕获与操纵提供了新的可行性。
[0005]基于SPP对金属粒子吸引力的增强效应提出的新型SPP光镊，成功实现了对几十纳米至几微米尺寸金属粒子的稳定捕获和动态操纵。该SPP光镊由轴对称径向偏振光束经高数值孔径物镜会聚于金膜表面产生，由于SPP的传播特性，径向偏振光激发产生的SPP会沿金膜表面向光轴中心传播，并在中心处干涉产生一个强度极高的虚拟探针。基于金膜表面SPP场强度的非均匀分布，金属粒子在SPP场中会受到一个指向SPP场中心的极强的梯度力作用，以及一个较弱的由SPP向中心传播过程中对粒子施加的同方向散射力作用。不同于激光光镊中金属粒子通常会由于过强的散射力而被推开，SPP光镊中占主导作用的梯度力与较弱的散射力方向相同，都指向SPP场中心，因此金属粒子在SPP光镊中会受到更强更稳定的吸引力，从而克服了激光光镊中金属散射力过大的问题。这种SPP光镊不仅能够更加稳定地捕获纳米到微米尺度的金属粒子，对于一些非金属粒子或微纳结构如纳米线也都具有捕获、操纵的能力。
[0006]但是现有SPP光镊技术，由于对金属粒子的极强吸引力，往往会将SPP场中多个金属粒子都吸引到中心区域形成团簇，对捕获和操纵的金属粒子的数量尚无法实现精确控制，尤其是无法实现对单一金属粒子的捕获和操纵。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题是，提供一种SPP光镊系统，实现对单一金属粒子的捕获及操纵。本发明是这样实现的:
[0008]一种SPP光镊系统，用于操控金属与介质界面上的金属粒子，包括激发光源单元、监控系统及光镊显微平台；所述光镊显微平台包括一载物台，所述金属与介质界面形成于所述载物台上；所述激发光源单元用于产生两束非相干激光；所述两束非相干激光分别在所述金属与介质界面产生汇聚SPP场和发散SPP场，所述汇聚SPP场包含在所述发散SPP场内；所述汇聚SPP场形成势阱，以束缚位于其范围内的金属粒子；所述发散SPP场排斥位于其范围外的金属粒子；
[0009]所述光镊显微平台与所述监控系统连接，用于获取所述金属与介质界面的显微图像，并将其发送到所述监控系统；
[0010]所述监控系统用于显示所述显微图像，以及控制所述载物台与所述激发光源单元相对运动，使所述汇聚SPP场和发散SPP场与所述金属与介质界面相对运动，以调节所述汇聚SPP场和发散SPP场的大小或移动被所述汇聚SPP场束缚的金属粒子；
[0011]在所述汇聚SPP场和发散SPP场与所述金属与介质界面相对运动的过程中，所述汇聚SPP场始终包含在所述发散SPP场内。
[0012]进一步地，所述两束非相干激光被合成同轴激光束，其在所述金属与介质界面所产生的汇聚SPP场和发散SPP场为同心SPP场。
[0013]进一步地，所述激发光源单元包括合束器、两个激光器、两套光路组件；所述两个激光器与所述两套光路组件一一对应；两个激光器产生的激光分别通过各自对应的光路组件，再通过所述合束器合束成同轴激光束。
[0014]进一步地，所述光路组件包括沿光路依次设置的正透镜组、偏振片、四分之一波片、螺旋相位片、角向滤波器及半波片组。
[0015]进一步地，所述光镊显微平台还包括高数值孔径物镜及分束器；所述同轴激光束依次通过所述分束器及高数值孔径物镜在所述金属与介质界面产生同心的汇聚SPP场和发散SPP场；
[0016]所述监控系统包括CCD相机、计算机及载物台控制系统；
[0017]所述CCD相机通过所述分束器及高数值孔径物镜获取所述金属与介质界面的显微图像；
[0018]所述计算机与所述CCD相机连接，用于接收并显示所述显微图像；
[0019]所述计算机还通过所述载物台控制系统与所述载物台连接，用于通过所述载物台控制系统控制所述载物台与所述激发光源单元相对运动。
[0020]进一步地，所述CXD相机与所述分束器之间的光路上还设置有滤光片。
[0021]与现有技术相比，本发明通过在金属与介质界面上分别形成汇聚SPP场与发散SPP场，并使汇聚SPP场包含在发散SPP场内，通过汇聚SPP场形成的势阱对金属粒子进行捕获和操纵。在捕获和操纵金属粒子的过程中，发散SPP场可将位于其范围外的金属粒子排斥在外，从而确保汇聚SPP场不会将过多金属粒子束缚。只要恰当调节汇聚SPP场及发散SPP场的大小就可对捕获和操纵的金属粒子的数量实现精确控制，甚至实现只对单一金属粒子进行捕获及操纵。本发明在表面增强拉曼散射(SERS)研宄等前沿领域具有非常重要的意义。
【附图说明】
[0022]图1a:汇聚SPP场形成原理示意图；
[0023]图1b:汇聚SPP场波矢传播示意图；
[0024]图2a ??发散SPP场形成原理示意图；
[0025]图2b:发散SPP场波矢传播示意图；
[0026]图3:本发明SPP光镊系统所形成的SPP场对金属粒子的力学作用示意图；
[0027]图4:本发明SPP光镊系统组成示意图。
【具体实施方式】
[0028]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0029]本发明SPP光镊系统用于操控金属与介质界面上的金属粒子，包括激发光源单元、监控系统及光镊显微平台。
[0030]光镊显微平台包括一载物台，金属与介质界面形成于该载物台上。激发光源单元产生两束非相干激光，并使这两束非相干激光分别在金属与介质界面产生汇聚SPP场和发散SPP场，且汇聚SPP场包含在发散SPP场内。汇聚SPP场形成势阱，以束缚位于其范围内的金属粒子，发散SPP场排斥位于其范围外的金属粒子。需注意的是，需要捕获的金属粒子位于介质中，并非指“金属与介质界面I”中所述的“金属”，而是指介质中的金属。
[0031]光镊显微平台与监控系统连接，可获取所述金属与介质界面的显微图像，并将其发送到所述监控系统。所述监控系统可显示接收到的显微图像，以及控制载物台与激发光源单元相对运动，使汇聚SPP场和发散SPP场与金属与介质界面相对运动，以调节所述汇聚SPP场和发散SPP场的大小或移动被所述汇聚SPP场束缚的金属粒子。需注意的是，在所述汇聚SPP场和发散SPP场与所述金属与介质界面相对运动的过程中，所述汇聚SPP场需始终包含在所述发散SPP场内，这样才能保证发散SPP场将多余的金属粒子排斥在外，不被汇聚SPP场捕获。
[0032]利用本发明，只要适当调节汇聚SPP场及发散SPP场的大小，就可对捕获和操纵的金属粒子的数量实现精确控制，甚至实现只对单一金属粒子进行捕获及操纵。
[0033]以下结合附图对本发明原理进行详细解释。图1a及图2a分别是汇聚SPP场及发散SPP场的形成原理示意图，如果激光焦点F位于金属与介质界面I之后，则形成的是汇聚SPP场 ，如果激光焦点F位于金属与介质界面I之前，则形成的是发散SPP场。图1b及图2b分别是汇聚SPP场及发散SPP场的波矢传播示意图，汇聚SPP场波矢向中心传播，汇聚SPP场中的金属粒子受到其库仑力作用而被束缚在其中心附近，此时，汇聚SPP场的作用相当于一个势阱，以囚禁位于其范围内的金属粒子。而发散SPP场波矢向外传播，发散SPP场外的金属粒子将会受到排斥的库仑力，从而保持在发散SPP场外。
[0034]根据汇聚SPP场与发散SPP场对金属粒子的力学作用可知，只要使汇聚SPP场包含在发散SPP场内，通过恰当调整汇聚SPP场与发散SPP场的大小，就可以控制该光镊系统只束缚一定范围内的金属粒子，甚至只束缚一个金属粒子。图3所示为本发明SPP光镊系统在金属与介质界面I所形成的SPP场对金属粒子的力学作用示意图，图中各黑斑为金属粒子，外环为发散SPP场，其外部的金属粒子将被排斥在发散SPP场之外，内环为汇聚SPP场，其内部的金属粒子将被束缚在汇聚SPP场内。只要保证汇聚SPP场包含在发散SPP场内，即使在由该汇聚SPP场与发散SPP场形成的双SPP场与金属与介质界面I做相对移动的过程中，也能稳定束缚汇聚SPP场内的金属粒子，同时，使发散SPP场以外的金属粒子排斥在夕卜。同时，由于SPP与金属粒子的作用能有效激发金属粒子的局域表面等离基元，金属粒子的局域表面等离激元与金属与介质表面的表面等离激元发生杂化作用有助于加强汇聚SPP场对金属粒子束缚作用。
[0035]为保证捕获金属粒子过程的稳定性，最好使汇聚SPP场与发散SPP场形成同心SPP场，这可以通过将两束非相干激光合成同轴激光束实现。对金属粒子进行移动时，可使激发光源单元的聚焦位置保持固定(即保持汇聚SPP场及发散SPP场固定)，通过监控系统移动载物台，使金属与介质界面I与激发光源单元的聚焦位置相对移动，以移动被束缚的金属粒子。
[0036]以下为本发明一具体实施例。
[0037]如图4所示，该SPP光镊系统包括激发光源单元100、光镊显微平台200及监控系统 300。
[0038]激发光源单元100包括两个激光器2、两套光路组件以及一个合束器9，两个激光器2与两套光路组件一一对应。两个激光器2产生的激光分别经过各自对应的光路组件形成径向偏振光束，两条径向偏振光束经合束器9合束形成同轴激光束。两个激光器2采用具有不同发散角的非相干激光光源；每一套光路组件均包括沿光路依次设置的正透镜组3、偏振片4、四分之一波片5、螺旋相位片6、角向滤波器7及半波片组8。通过旋转螺旋相位片6使激光束获得角动量可实现对捕获的金属粒子或金属钠米线的旋转操作。
[0039]光镊显微平台200由光学显微镜改造而成，光镊显微平台200包括一载物台12及高数值孔径物镜11，玻片13固定在载物台12上。经合束器9合束形成的同轴激光束再依次经分束器10及高数值孔径物镜11照射在玻片13上。玻片13上镀有45nm厚的金膜作为金属膜，将含有金属粒子的溶液滴在玻片13上，形成金膜与溶液界面。此时的金膜与溶液界面就相当于前述的金属与介质界面1，该金膜就是金属，该溶液就为介质。分别调节两束激光束的发散角，使其中一束激光光束大于另一束激光束，并使较大激光束的焦点位于金膜与溶液界面之前，以在金膜与溶液界面上激发形成较大的发散SPP场，使较小激光束的焦点位于金膜与溶液界面之后，以在金膜与溶液界面激发形成较小的汇聚SPP场。通过调节两条激光束的发散角或者调节载物台12与高数值孔径物镜11的轴向距离可调节汇聚SPP场及发散SPP场的大小。
[0040]监控系统300包括CXD相机14、计算机15及载物台控制系统16。金膜与溶液界面的显微图像通过高数值孔径物镜11及分束器10由CXD相机14捕获。CXD相机14与分束器10之间还可设置一滤光片，用于滤除激发光。CXD相机14与计算机15连接，CXD相机14将捕获的金膜与溶液界面的显微图像发送到计算机15并通过计算机15显示，操作人员可在计算机15上实时观察金属粒子的捕获及操纵过程。计算机15还通过载物台控制系统16与载物台12连接，操作人员可通过计算机15发送控制命令到载物台控制系统16，通过载物台控制系统16控制载物台12运动，使载物台12与激发光源单元100相对移动，实现对汇聚SPP场及发散SPP场大小的调节以及对金属粒子的移动等操作。调节载物台12与高数值孔径物镜11的轴向距离可同步调节汇聚SPP场及发散SPP场的大小；控制载物台12沿垂直于高数值孔径物镜11轴向的方向移动可使汇聚SPP场及发散SPP场与金膜与溶液界面相对移动，实现对金属粒子的移动等操作。一般而言是保持激发光源单元100固定不同，同轴激光束的两束激光的发散角不变，通过控制载物台12的运动实现对汇聚SPP场及发散SPP场大小的调节以及对金属粒子的移动等操作。
[0041]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种SPP光镊系统，用于操控金属与介质界面上的金属粒子，包括激发光源单元、监控系统及光镊显微平台；所述光镊显微平台包括一载物台，所述金属与介质界面形成于所述载物台上；其特征在于: 所述激发光源单元用于产生两束非相干激光；所述两束非相干激光分别在所述金属与介质界面产生汇聚SPP场和发散SPP场，所述汇聚SPP场包含在所述发散SPP场内；所述汇聚SPP场形成势阱，以束缚位于其范围内的金属粒子；所述发散SPP场排斥位于其范围外的金属粒子； 所述光镊显微平台与所述监控系统连接，用于获取所述金属与介质界面的显微图像，并将其发送到所述监控系统； 所述监控系统用于显示所述显微图像，以及控制所述载物台与所述激发光源单元相对运动，使所述汇聚SPP场和发散SPP场与所述金属与介质界面相对运动，以调节所述汇聚SPP场和发散SPP场的大小或移动被所述汇聚SPP场束缚的金属粒子； 在所述汇聚SPP场和发散SPP场与所述金属与介质界面相对运动的过程中，所述汇聚SPP场始终包含在所述发散SPP场内。2.如权利要求1所述的SPP光镊系统，其特征在于，所述两束非相干激光被合成同轴激光束，其在所述金属与介质界面所产生的汇聚SPP场和发散SPP场为同心SPP场。3.如权利要求2所述的SPP光镊系统，其特征在于，所述激发光源单元包括合束器、两个激光器、两套光路组件；所述两个激光器与所述两套光路组件一一对应；两个激光器产生的激光分别通过各自对应的光路组件，再通过所述合束器合束成同轴激光束。4.如权利要求3所述的SPP光镊系统，其特征在于，所述光路组件包括沿光路依次设置的正透镜组、偏振片、四分之一波片、螺旋相位片、角向滤波器及半波片组。5.如权利要求2所述的SPP光镊系统，其特征在于，所述光镊显微平台还包括高数值孔径物镜及分束器；所述同轴激光束依次通过所述分束器及高数值孔径物镜在所述金属与介质界面产生同心的汇聚SPP场和发散SPP场； 所述监控系统包括CCD相机、计算机及载物台控制系统； 所述CCD相机通过所述分束器及高数值孔径物镜获取所述金属与介质界面的显微图像； 所述计算机与所述CCD相机连接，用于接收并显示所述显微图像； 所述计算机还通过所述载物台控制系统与所述载物台连接，用于通过所述载物台控制系统控制所述载物台与所述激发光源单元相对运动。6.如权利要求5所述的SPP光镊系统，其特征在于，所述CCD相机与所述分束器之间的光路上还设置有滤光片。
【专利摘要】本发明涉及一种SPP光镊系统，用于操控金属与介质界面上的金属粒子，包括激发光源单元，所述激发光源单元用于产生两束非相干激光；两束非相干激光分别在所述金属与介质界面产生汇聚SPP场和发散SPP场；所述汇聚SPP场包含在所述发散SPP场内；所述汇聚SPP场形成势阱，以捕获位于其范围内的金属粒子；所述发散SPP场排斥位于其范围外的金属粒子。本发明可对捕获和操纵的金属粒子的数量实现精确控制，甚至实现只对单一金属粒子进行稳定捕获及操纵，在表面增强拉曼散射(SERS)研究等前沿领域具有非常重要的意义。
【IPC分类】G21K1/00
【公开号】CN104900291
【申请号】CN201510195617
【发明人】袁小聪, 闵长俊, 张聿全, 沈军峰, 朱思伟
【申请人】深圳大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月23日
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