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基于法诺增强超表面的次波长纳米粒子光学捕获

发布时间:2020-03-23 20:59
【摘要】:在生命科学的许多领域,如单分子生物物理学、癌症检测及药物开发等,对生物分子的操控、传感、捕获是非常重要的技术手段。由于受到衍射极限的影响,传统光学捕获手段很难捕获纳米尺寸的物体,为解决这一问题,研究者们提出了各种不同的技术手段。其中将等离子光学应用到光学捕获中具有格外重要的意义,这种方法稳定性高、效率高、反应时间短,并且对被捕获物体无侵入性。然而,由于等离子纳米结构热效应产生的吸收损耗,如何在低功率入射的情况下保证稳定光学捕获成为亟待解决的问题。本文在应用等离子纳米结构的基础上,创新性地通过超表面的不对称性引入法诺共振,产生的高阶模共振导致了增强的近场光力,非对称结构比对称结构产生的光力增强了23倍,在低入射功率的条件下实现了次波长纳米尺寸粒子的单势阱捕获。本文基于巴比涅原理设计了对称、非对称开口环空腔,通过有限时域差分法进行仿真,在线偏振光垂直照射下,结构的不对称性导致了法诺共振效应的产生,从反射谱可以看出对称结构的共振模式P_1分裂形成非对称结构的两种四阶模式P_2和P_3,导致了品质因数Q的增大,两种模式均为结合模式的磁共振,同时还在空腔开口环内引发了分裂的局域电磁场增强。应用麦克斯韦张量法分析光力,通过积分发现当整个系统置于水环境中时,聚苯乙烯粒子在非对称开口环结构表面受到增强的光力作用。在巴比涅非对称开口环表面,入射光波长为2020nm时,最小28.7 mW/μm~2的入射功率可以实现对半径20nm聚苯乙烯粒子的稳定光学捕获,势阱位于上半环空腔处,在垂直方向上光力始终指向结构表面。对于不同尺寸的粒子来说,粒子半径越大,距离结构表面越近,所受到的光力越大。本文设计的巴比涅非对称开口环加工工艺简单,工作在近红外波段,创新性地利用超表面产生的法诺共振增强近场纳米粒子受到的光力,且入射光功率低,可以在生物领域广泛的应用于操控、捕获纳米尺寸粒子。同时,光学捕获的位置可以通过改变结构尺寸或光源入射波长来调节,而且这种法诺共振增强的光力对波长、粒子尺寸敏感,因此,巴比涅非对称开口环空腔还可以用来筛选分类不同尺寸的粒子。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:R318

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本文编号:2597258

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