基于微米空心波导的单粒子高效探测

发布时间：2021-10-09 13:53

　　提出一种用于高效率收集单粒子荧光的锥形空心波导探针。在理论上采用数值模拟得到了锥形空心波导探针对单粒子荧光的收集效率。通过优化探针几何尺寸可得,单粒子为径向偏振时探针对单粒子荧光的收集效率最高为25.3%,普遍高于利用高数值孔径透镜的传统方法。综合发光粒子不同方向的偏振后可知,探针的平均收集效率可达21.7%,最优工作距离为0.75μm。此外,探针对单个粒子荧光的收集效率和工作距离对于粒子发射光的波长不敏感,故此探针可以用于对具有不同波长的各类粒子和宽谱发光粒子的高效率探测。此探针直径为微米量级,易于与其他微纳结构结合。此探针可用于单原子、单分子、量子点、金刚石色心等粒子的高效率探测,并有望进一步用于化学、生物微小发光体等的探测。 

【文章来源】：光学学报. 2020,40(03)北大核心EICSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

高效率探测单个粒子的锥形空心波导探针结构示意图

图3 收集效率和工作距离与探针几何尺寸的关系。图2和图3中显示的主要是实验室用到的铯原子的探测结果,其发光波长为852 nm。为了研究和扩展此探针对不同发光波长的粒子探测的能力,研究了此探针对不同波长的单粒子荧光的收集效率和工作距离,具体结果如图4所示。图中空心三角点表示平均收集效率,而空心方点表示工作距离。探针内外直径的比例为3\:8,探针外直径为3.0 μm;发光粒子的波长选取650,750,852,950,1064 nm。由图4可知,探针对不同波长单粒子荧光的收集效率受波长的影响很小,各波长收集效率的平均值为(23.1±1)%,而最大收集效率为24.2%,对应波长852 nm,最小收集效率为21.9%,对应波长1064 nm。与此同时,工作距离随波长的变化也很小。工作距离最大为0.95 μm(对应波长750 nm和1064 nm),工作距离最小为0.85 μm(对应波长650,852,950 nm)。最大和最小工作距离相差只有100 nm。由此可见,此探针用于不同发光波长粒子的探测时,均可以得到较高的收集效率。而且,工作距离随波长变化很小,所以此探针可以应用于具有大范围发光光谱的粒子的探测,如常温下的量子点、金刚石色心等。

位于探针的旋转对称轴上的单个发光粒子相对于探针存在两个独立的偏振,单个粒子偏振如图2中插图所示,分别为沿着探针轴向和径向的偏振(axial polarization and radial polarization)。图2所示为两种不同偏振情况下探针对单粒子荧光的收集效率随单个粒子位置变化的曲线。因为空心波导在探针轴向上产生了微小尺度的偶极力阱,且获得最优阱深的探针的内外直径比值为3:8[36],这样的探针有望同时实现对单个粒子的俘获和探测,所以本文也选取了相同的内外直径比例参数对收集效率进行模拟。探针外直径为3.0 μm,内直径为1.125 μm。此探针主要针对后续实验中的铯原子荧光进行探测,因此选取了对应于铯原子D2线的852 nm为单个发光粒子的波长。图中点线和实线分别为单个粒子轴向偏振和径向偏振时收集效率的情况。x=0 μm为探针端面所在位置。由图2可知:当单个粒子位于距离探针端面0.55 μm和0.85 μm时处,探针对单粒子荧光的收集效率分别达到16.1%(轴向偏振)和25.3%(径向偏振);当原子逐渐远离探针时(x?0 μm),收集效率逐渐降低为0;当将单个粒子置于探针内部时(x<0 μm),收集效率降低并且出现振荡,主要原因是单个粒子在空心波导内部发光并由内壁反射,形成了干涉现象。在实际的实验过程中,单个发光粒子,例如偶极阱俘获的单个原子,其发射光子的偏振在x、y、z轴三个方向的分量是随机的。所以,在综合发光粒子沿x、y、z轴三个方向的收集效率后,单个粒子发光耦合进入探针的平均效率随单个粒子在x轴位置变化的曲线可由图2中的虚线表示。由图2可以看出,发光粒子最大收集效率的平均值为21.7%,探针的最优工作距离为0.75 μm。单个粒子发出的光子耦合进入探针的效率与空心波导探针的尺寸有着直接的关系,因此本文进一步研究了收集效率和工作距离与探针几何参数的关系,从而优化探针参数并获得更高的收集效率。空心波导探针的几何参数包括内直径、外直径。仍然保持内外直径的比例为3\:8,改变探针的外直径,外直径的变化范围为1.0～5.0 μm,根据固定比例可知内直径变化范围为0.375～1.875 μm。单个粒子发光波长为852 nm,模拟结果如图3(a)所示。图中实心圆点表示单个粒子偏振为径向偏振时探针对单粒子荧光的收集效率,实心方点表示轴向偏振时的收集效率,实心三角点表示平均收集效率。由图3(a)可知:当探针内外直径比例不变时,探针对单粒子荧光的收集效率随着探针外直径的增大而先增大再减小;在探针外直径为3.0 μm时,探针对径向偏振单粒子荧光的收集效率达到最大,为25.3%。由于在x、y、z三个方向的收集效率中径向偏振起主导作用,因此平均收集效率也在外直径为3.0 μm时达到最大,为21.7%。另外,由图3(a)可知,探针的工作距离随着外直径的增大而单调增大,图中空心圆点表示单个粒子偏振为径向偏振时探针的工作距离,空心方点表示轴向偏振时的工作距离,空心三角点表示x、y、z三个方向偏振的平均情况。在获得最大收集效率时(外直径为3.0 μm),探针的工作距离为0.85 μm(径向偏振)和0.75 μm(平均偏振)。通过上述探针外直径的优化过程可知,在外直径为3.0 μm时可获得最大的收集效率。接下来,保持探针外直径为3.0 μm不变,通过调整探针内直径的尺寸来获得收集效率和工作距离,相应的结果如图3(b)所示。由图3(b)可知:当探针外直径不变时,收集效率随着内直径的减小而单调增大,探针的工作距离随内直径的减小而减小;当内直径为0.4 μm时,径向偏振收集效率可达到37.5%,但是其工作距离减小至0.4 μm。工作距离太小使得待测粒子极易受到探针表面静电力和范德瓦耳斯力的影响,并且对探针的空间控制精度提出了更高的要求。因此在具体实验操作过程中,可以根据待测粒子性质、控制精度的具体实验条件选择合适内直径的探针,以获得尽可能高的收集效率。

【参考文献】：
期刊论文
[1]微纳光纤及其锁模激光应用[J]. 王利镇,李林军,童利民.  光学学报. 2019(01)
[2]基于整形飞秒激光脉冲的三维微纳制备[J]. 乔玲玲,储蔚,王哲,程亚.  光学学报. 2019(01)
[3]用于单原子操控的微尺度蓝移阱的三维构建与测量[J]. 王建龙,李刚,田亚莉,张天才.  量子光学学报. 2015(01)



本文编号：3426514