硅基近场光镊的光学微操控研究

发布时间：2017-05-03 06:15

  本文关键词：硅基近场光镊的光学微操控研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：现代医学及生物学研究已经深入到对单个纳米级别生物分子的操控。这对传统的操控技术如微流控技术提出了很大的挑战,于是纳流控技术应运而生。其中,光镊技术因具有非接触、精度高和操控方便等优势成为了纳流控技术中的理想驱动力。然而这种传统的光镊技术受到了衍射极限的限制,无法操控尺寸小于100纳米的颗粒。得益于近几年纳米加工技术的迅猛发展,人类已经能够制作出极其精细的微结构,并提出了近场光镊技术成功突破了衍射极限。而硅基平台因易于集成和技术成熟等优势成为了实现近场光镊技术的最佳平台之一。硅基近场光镊技术主要包括基于倏逝场的光镊技术和基于表面等离子体的光镊技术。利用不同的硅基波导结构可以实现对为微粒的不同操控功能,包括捕获、运输、分选、存储和传感等。本文提出了多种新颖的原理和结构实现了多种光学微操控,包括能够实现纳米颗粒的捕获和传输的光学传送带、能够控制颗粒支路选择的导向系统和能够实现不同颗粒大小自动筛选的光学分选器,为片上硅基光镊系统的高度集成化提供了强有力的支持。本论文主要分为三部分：1、提出了一种波导激励型光学传送带,实现了纳米颗粒在纳米量级的精确捕获和传输。因为倏逝场尺寸处于百纳米量级,传统的波导型光镊只能捕获和操控百纳米级别的颗粒。要实现尺寸小于100纳米的颗粒捕获就必须提高光场梯度力,而等离子型近场光镊为该难题提供了一种有效的解决手段。比如一对以一定间隔摆放的金属棒就能实现有效地激励起局域光场,可以提供增强几十倍的光场梯度力,从而实现颗粒的捕获。这种结构还具有尺寸相关的波长选择特性,因此可以通过波长选择激励区域。将不同尺寸的金属颗粒对交替排列在波导上方,并不断切换输入的波长就可以实现热区以流水灯方式的移动。利用光镊技术,通过光场和颗粒移动的映射关系,最终可以实现颗粒在波导上前向或者后向的蠕动。每切换一次波长,颗粒步进一格。相比于利用散射力推动的方式,该方法可以精确控制颗粒的位移。该设计提供了一种新型的方式首次实现了在硅基波导平台上对纳米颗粒的捕获和可控传输。2、提出了一种通过切换输入光的偏振方向实现颗粒不同路径导向的装置。逻辑操控是光学微操控领域最为关键的功能之一,也是实现大规模复杂操控的最基本功能单元之一。但目前的颗粒导向器件绝大部分都是基于波长调控的,但这需要多波长的光源来实现,而且硅基结构尺寸较大。本文提出了一种基于偏振的颗粒导向系统。因狭缝波导具有很强的偏振敏感特性,通过参数优化,可以实现狭缝波导和纳米线波导之间的偏振选择性耦合,从而可以利用这两种波导结构实现简单的偏振分束器。当不同偏振的光输入到波导结构中时光会从不同的输出口输出。因此,在近场光镊的作用下,通过操控输入光的偏振态,可以实现颗粒导向。3、提出了一种利用不同尺寸颗粒对同一光场具有特异性响应的特性而实现的颗粒分选系统。颗粒分选是片上系统中关键的技术之一,能够实现不同种类或不同尺寸颗粒之间的自动分离,相比于传统的利用高性能相机观测后再主动拣选的方式具有非常大的优势。本文设计的结构由两根宽度不一致的波导组成,宽波导具有较大的光场包络,而窄波导具有较小的光场包络。当尺寸不同的颗粒处在这样的光场中时,大颗粒能够响应宽波导的光场给予的光力并忽略光场在相对于颗粒尺寸来说较小范围内的梯度力,而小颗粒因尺寸限制无法感知大包络的变化。因此尺寸相异的颗粒会对同一光场产生完全不同的响应,最终从不同出口输出。总之,本文利用了金属颗粒对的波长选择特性实现了颗粒的传输、利用狭缝波导的偏振选择特性实现了颗粒的导向以及利用不同尺寸颗粒对相同光场的不同响应实现了颗粒的分选。这些结构拓展了光流集成领域的操控方法和功能,具有较大实际的研究意义。
【关键词】：硅基波导 光镊 微操控 颗粒捕获 偏振选择 颗粒分选
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN25
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-29
• 1.1 研究背景13-14
• 1.2 光镊的基本原理14-20
• 1.2.1 梯度力和散射力15-18
• 1.2.2 传统光镊的局限性18-20
• 1.3 近场光镊的发展现状和趋势20-24
• 1.3.1 平面波导器件21-23
• 1.3.2 光学谐振器23-24
• 1.3.3 等离子体24
• 1.4 研究意义24-26
• 1.5 本论文主要内容26-29
• 第二章 近场光镊的分析方法和硅基加工工艺29-39
• 2.1 电磁场的数值仿真方法29-32
• 2.1.1 时域差分法30
• 2.1.2 有限元法30-31
• 2.1.3 矩量法31-32
• 2.2 光学力的计算方法32-33
• 2.3 硅基制造工艺33-36
• 2.3.1 光刻33-34
• 2.3.2 剥离34
• 2.3.3 电子束曝光34-35
• 2.3.4 干法刻蚀35-36
• 2.4 硅基近场光镊的封装方式36-39
• 第三章 基于等离子纳米棒的硅基光学传送带设计39-47
• 3.1 引言39-40
• 3.2 基于等离子纳米棒的硅基光学传送带设计40-42
• 3.3 硅基光学传送带的性能分析42-44
• 3.4 总结44-47
• 第四章 基于偏振控制的颗粒导向系统设计47-57
• 4.1 引言47-48
• 4.2 波导模式耦合理论48-50
• 4.3 非对称定向耦合器设计50-54
• 4.4 颗粒导向系统的性能分析54-56
• 4.5 总结56-57
• 第五章 基于硅基近场光镊的颗粒分选设计57-67
• 5.1 引言57
• 5.2 颗粒分选系统中的光场设计57-59
• 5.3 基于硅基近场光镊的颗粒分选系统设计59-62
• 5.4 颗粒分选系统的性能分析62-63
• 5.5 颗粒分选系统设计63-64
• 5.6 总结64-67
• 第六章 总结与展望67-71
• 6.1 总结67-68
• 6.2 本论文的创新点68
• 6.3 展望68-71
• 参考文献71-77
• 硕士期间发表文章77-81
• 致谢81-83

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