近场光镊技术研究新进展

光镊技术,又称光学捕获技术,它是利用光的辐射压力来捕获和操纵包括电介质颗粒、生物细胞及生物大分子在内的微小粒子的。近场光镊技术利用近场光学倏逝场随距离急剧衰减的特征,可显著地降低捕获粒子的尺寸,实现纳米捕获。追踪了近场光镊技术的最新进展,包括全内反射相干倏逝场、近场光学镀膜光纤探针尖、激光照明金属探针尖和聚焦倏逝场用于近场光学捕获,并对其进行了比较,分析了它们存在的主要问题和未来发展方向。     

近场光学虚拟光探针的数值分析

虚拟光探针是基于近场光学隐失场干涉原理产生的一种非实体探针，可以应用于近场光学超高密度存储、纳米光刻、近场光学成像、光谱探测、纳米样品的近场光学操作等领域。本研究采用三维时间域有限差分（FDTD）方法对近场光学虚拟光探针的光场分布特性进行了数值模拟计算和比较，分析了孔的形状、大小及偏振态等因素对虚拟光探针光场分布的影响，研究结果表明虚拟光探针的通光效率较普通的纳米孔径光纤探针提高10^2-10^4倍；其光场分布的中间峰的半峰全宽（即虚拟光探针的尺寸）在一定距离范围内基本保持不变，从而可以解决近场光学系统中纳米间距控制的难题，避免光学头与介质的磁撞。优化虚拟光探针的设计参量能有效的抑制虚拟光探针中的旁瓣。文章还给出了应用虚拟探针实现高密度光存储的原理方案。     

基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

光源近场测量在LED光学设计中的应用与研究

在LED光学设计中,传统方法多以LED光源的远场测试数据为设计依据,而远场测试仅仅是对LED光源相对粗糙的测量,并不能精确地描述光源的空间光分布情况。对LED光源详细空间光分布信息的获取,即LED光线集的获取已经成为LED光学设计的瓶颈问题。获取并合理利用精确、详实的LED光源信息尤其是光源空间光分布信息是LED光学设计的关键点。分别利用单颗LED芯片和LED模块做了两组对照实验,并利用照明解析软件对获得的实验数据进行处理和分析,通过对比实验中光源远场测试和近场测试获得结果之间的差异,强调了通过LED光源近场测试获取光源光线集对LED光学设计的重要作用。实验结果表明,LED光源近场测量获取的光源光线集可以为LED光学设计提供更为详细的光源的光空间分布信息。     

基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

SNOM应用于光电材料和器件的光学特性的探测和表征

介绍了近场光学及近场探测的原理 ,给出了其用于光电器件研究中的一些结果。近场光学方法具有超衍射分辩的本领和纳米局域光场探测的能力 ,适用于多种光电材料的探测与表征 ,包括 :LD、光纤波导器件、光子晶体器件等。纳米局域光场和倏逝场的探测发现了许多远场探测无法得到的结果 ,为光电器件纳米结构的研究提供了有力证据     

探索生物大分子活动奥秘的光学手段

将先进的物理学技术，尤其是光学技术应用于分子生物学，进行生物大分子操纵、探测与成像，会给生物学家们带来更强有力的实验武器，文章主要介绍了光钳技术、近场光学技术和视频增强的光学显微术。     

基于近场激发与增强的新型多层纳米薄膜结构在非线性光学器件上的应用与发展前景

传统光学引入了远场衍射的尺度极限。自从提出了近场光学技术以来 ,由于近场扫描光学显微镜 (NSOM)系统的复杂性而使得近扬的引入和利用变得困难。具有多层纳米薄膜结构的超分辨近场结构 (Super RENS)的提出改变了这种局面 ,并在诸如超高密度光学数据存储、近场光刻技术、纳米光子学晶体管等领域获得了重要的应用。围绕Su per RENS技术 ,通过综述它的基本原理、物理机制以及各项应用 ,指出了基于近场激发与增强原理的新型多层纳米薄膜结构在未来非线性光学器件上的应用与发展前景     

纳米光学和生物单分子探测

纳米光学技术展示了纳米级探测本领，同时生物单分子探测所需要分辨尺度也是纳米数量级的，因此在生物单分子探测过程中，纳米光学发挥了巨大的作用．文章介绍了与生物单分子探测技术相关的纳米光学技术，包括量子近场光学探针技术、近场光学成像技术(包括扫描近场光学显微术及全内反射荧光显微术)和激光光钳测控技术及它们在生物单分子探测上的进展，从而在染色、成像、测控三个方面展示了纳米光学技术在生物方面的应用，并对其未来的发展方向进行了展望．     

“禁戒光”近场光学显微镜原理与系统

扫描近场光学显微术是８０年代后期发展起来的一种分辨率超过衍射极限的新型光学显微镜技术。本文介绍了国外最近出现的“禁戒光”近场光学显微镜系统的工作原理及结构。透射式ＳＮＯＭ中部分光沿着光轴向前传播；部分光沿着大于全内反射临界角的方向传播。前者称为允许光；后者称为禁戒光。应用“禁戒光”近场光学显微镜可同时获得三幅图像，即允许光像、禁戒光像和反映样品表面形貌的剪切力图像。禁戒光图像能够提供很好的对比度和分辨率。     

微米级锥形光纤的近场光镊

分别从理论和实验上分析了光纤表面倏逝场强度的分布(z=10 nm, 100 nm, 500 nm,1 000 nm),研究了微米级光纤光镊对微球的操纵。实验中把直径为125 m的普通单模光纤拉制成锥腰直径为2 m的锥形光纤。当光纤通光时,在光纤锥区倏逝场的作用下,直径3 m的聚苯乙烯微球保持平衡状态,并且光纤附近的微球被吸引到光纤表面,以5.3 m /s的速度沿着光束的传播方向运动。这个实验不仅实现了对微球的成功捕获,而且验证了光纤光镊的力学作用。光纤光镊对微球的无接触、无损伤操纵,将在生物传感领域有潜在的应用。     

A study of multi-trapping of tapered-tip single fiber optical tweezers

We develop a pair of tapered-tip single fiber optical tweezers, and study its multi-trapping characteristic. The finite difference time domain method is employed to simulate the trapping force characteristic of this pair of single fiber optical tweezers, and the results show that the number of trapped particles depends on the refractive index and the size of the particles. The trapping force of this pair of tapered-tip single fiber optical tweezers is calibrated by the experimental method, and the experimental results are consistent with the theoretical calculation results. The multi-trapping capability realized by the tapered-tip single fiber optical tweezers will be practical and useful for applications in biomedical research fields.     

飞秒光镊技术及其发展

激光捕获技术是利用光辐射力来捕捉、移动和操纵微粒的先进技术。飞秒光镊在实现粒子微纳操纵的同时还伴随着非线性现象的发生。阐述了飞秒光镊的模型和原理以及系统的各种结构形式,包括单光束梯度力光阱、贝塞耳光阱、双光束光纤光阱和冲击波光阱几种形式,并分析了每种形式的特点。     

时域有限差分法数值仿真单光镊中微球受到的光阱力

本文采用三维时域有限差分法(FDTD)和Maxwell应力张量法建立了单光镊在焦点附近俘获球形微粒的光阱力模型,采用基于球矢量波函数(VSWF)的五阶高斯光源作为仿真光源,得到了准确的光场传播.讨论了光源的波长、束腰、偏振态和微球的半径、折射率对光阱力的影响,分析了在单光镊俘获微球时,邻近微球对光阱力的影响.特别研究了光源的偏振态对微球所受光阱力的作用效果,仿真结果表明圆偏振光比线偏振光对微球的俘获力更大;被光镊稳定俘获的微球,会受到邻近微球干扰,失去平衡状态,改变光源的偏振态可以改变微球的受力状态. 关键词： 光镊 光阱力 介质微球 时域有限差分法(FDTD)     

利用光镊技术演示光的自旋角动量

阐述了光与物体相互作用时自旋角动量的传递与扭力矩原理.基于光镊光致旋转原理,利用能够悬浮单个粒子的光镊技术并采用具有双折射特性的CaCO3晶体粒子,设计了微粒在不同偏振光场中的旋转运动实验内容,研究光与双折射晶体粒子相互作用产生的光致旋转效应,观察和测量由自旋角动量引起粒子的扭转力矩的大小、方向以及旋转速度等力学效应.     

光镊技术在气溶胶物理化学表征中的应用

有机气溶胶的热/动力学研究是多学科交叉的前沿研究领域,其核心问题主要是非理想混合包括挥发性、液-液相分离、非平衡传质动力学等,精确测量这些过程相关理化参数是目前研究的瓶颈。光镊系统可以悬浮气溶胶单颗粒,获得高信噪比受激拉曼光谱,在研究气溶胶物理化学性质与其大气效应中具有独到优势。被广泛用于有机及其与无机混合体系气溶胶的吸湿性、挥发性、水传质动力学、液-液相分离过程研究中。本文综述了激光悬浮气溶胶单颗粒技术的研究进展,主要包括光镊技术的原理和技术手段,以及在气溶胶关键物理化学参数测量中的应用。通过光镊系统,一方面可以获得重要理化参数的精确结果,另一方面可以对实际环境中悬浮液滴的状态进行模拟测量,从而为大气科学的研究与污染治理提供重要支撑。     

光镊在生命科学中的应用

由于光镊具有无直接接触、无损伤等诸多优点,且光镊产生的力在皮牛顿量级,正好落在生物大分子相互作用力的范围,所以光镊在生物大分子相互作用测量方面取得了越来越广泛的应用.文章详细介绍了光镊的出现、发展过程以及在生命科学中代表性应用结果.这些结果表明,将光镊应用在生命科学领域,可以揭示或证实许多以前不曾深刻了解的生物大分子的活动规律与机制.     

有限远共轭显微镜光镊设计和误差分析

光镊是研究单分子生物物理特性的独特工具, 因而光镊设备的研发是一个极为重要的课题. 本文根据矩阵光学, 对基于有限远共轭显微镜的光镊操控光路进行计算, 得出了阱位径向操控和轴向操控方程, 并分析了光束调控系统、 共焦系统后置透镜和耦合透镜安装位置误差及物镜轴向位置调整对光镊阱位径向及轴向操控精度的影响. 计算结果显示, 当物镜初级像面和耦合透镜像方焦面完全重合, 光束调控系统和耦合透镜的距离误差对阱位径向和轴向操控精度没有影响. 光镊系统元器件定位不准时, 基于无限远共轭显微镜光镊的阱位径向操控误差和轴向操控误差都小于基于有限远共轭显微镜光镊的阱位径向操控误差和轴向操控误差. 当光镊耦合透镜定位误差控制在小于10 mm时, 基于有限远共轭显微镜光镊的径向和轴向操控误差分别小于5.9%和11.4%, 有限远共轭显微镜仍然存在改造为光镊的价值.本文理论为基于有限远共轭显微镜的光镊设计、改造和操控提供理论和实验指导. 关键词： 光镊 光学设计 矩阵 误差     

A non-contact single optical fiber multi-optical tweezers probe: Design and fabrication

Optical tweezers have developed into a versatile and widely used tool; compared with the traditional optical tweezers, optical traps built with a single optical fiber provide a more flexible solution towards compact, integrated multiple traps. But the single optical tweezers have their own short comings—the manipulation working on the micro-particles is not non-contact, because of the fabrication method of the optical fiber probe. However we propose new single fiber multi-optical tweezers which are simple, low-cost and can manipulate micro-particles in a non-contact manner and non-invasively.