一种表面等离激元光镊装置的制作方法

本实用新型涉及近场光学技术领域，尤其涉及一种表面等离激元光镊装置。

背景技术：

光镊是捕获与操纵微纳颗粒的重要技术手段，其基本原理为光与物质之间动量传递的力学效应，具有非接触、操纵精度高等优点，广泛应用于物理、化学、生物及医学等科学前沿领域。近年来，表面等离激元因具有突破衍射极限和近场能量增强两大特性，为光镊技术的发展带来了新的突破口，成为国际上一个重要和前沿的研究方向。表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons，SPP)是一种在金属表面，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的研究发现，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。

基于表面等离激元的新型光镊技术主要分为两类：结构型表面等离激元光镊技术和全光调控型表面等离激元光镊技术，它们在颗粒捕获精度、捕获范围、操纵动态性与操纵自由度等方面各有特色，吸引了国际上众多研究人员进行大量的理论研究和实验探索。表面等离激元光镊技术在纳米颗粒、金属颗粒捕获以及近场电磁场增强与调控方面展现了独特优势，在生物传感、表面增强拉曼散射等领域具有广阔的应用前景。

在一般的径向偏振光激发SPP的光镊中，一般的径向偏振光其中心偏振方向是不确定的，会形成一个面包圈状的结构，使原高斯光的中心光强分散到环上，而只有满足特定入射角的光才能激发出SPP，因此，一般的径向偏振光只有非常细的一个细环区域的光被吸收激发SPP，光斑中大部分都是无法激发SPP的无效小角度光束。这部分无效光束无法对颗粒的捕获做出贡献，而是对颗粒产生排斥力，影响颗粒捕获的稳定性；另外多余的无效光束产生的热效应也是影响颗粒捕获稳定性的重要因素。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种表面等离激元光镊装置，可以解决现有技术中一般径向偏振光束激光用于激发表面等离激元光场的光较少，且颗粒捕获稳定性低的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供一种表面等离激元光镊装置，其特征在于，所述装置包括激发光单元、表面等离激元激发单元、照射扫描单元和计算机；

所述激发光单元用于产生完美径向偏振光束，所述完美径向偏振光束射入所述表面等离激元激发单元中，所述完美径向偏振光束为环形涡旋光束；

所述表面等离激元激发单元包括镀有金属膜的玻片，所述玻片的表面设置带有金属颗粒的样品溶液，所述完美径向偏振光束在所述玻片的金属膜和样品溶液的水界面之间激发会聚的表面等离激元光场；

所述照射扫描单元用于产生照明光束，所述照明光束照射至所述玻片，对所述玻片上的所述样品溶液进行扫描；

所述计算机分别与所述表面等离激元激发单元和所述照射扫描单元连接，所述计算机用于对所述照射扫描单元的扫描结果进行成像显示，并控制所述表面等离激元激发单元利用所述表面等离激元光场对所述样品溶液中的金属颗粒进行动态操作。

本实用新型提供一种表面等离激元光镊装置，该装置利用完美径向偏振光束激发表面等离激元光场，由于完美径向偏振光束为环形涡旋光束，能有效的利用入射光的能量去激发表面等离激元光场，且避开了中心区域的散射光，减弱了温度升高和布朗运动对颗粒稳定捕获的影响，能增加颗粒捕获的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例所提供的一种表面等离激元光镊装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中激发光单元101的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中表面等离激元激发单元102的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中照明扫描单元103的结构示意图。

具体实施方式

为使得本实用新型的实用新型目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

由于现有技术中存在一般径向偏振光束激光用于激发表面等离激元光场的光较少，且颗粒捕获稳定性低的技术问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出一种表面等离激元光镊装置，该装置利用完美径向偏振光束激发表面等离激元光场，由于完美径向偏振光束为环形涡旋光束，能有效的利用入射光的能量去激发表面等离激元光场，且避开了中心区域的散射光，减弱了温度升高和布朗运动对颗粒稳定捕获的影响，能增加颗粒捕获的稳定性。

请参阅图1，为本实用新型实施例所提供的一种表面等离激元光镊装置的结构示意图，其中，图1中的箭头表示光的照射方向。该装置包括激发光单元101、表面等离激元激发单元102、照射扫描单元103和计算机104；

激发光单元101用于产生完美径向偏振光束，完美径向偏振光束射入表面等离激元激发单元中，完美径向偏振光束为环形涡旋光束；

表面等离激元激发单元102包括镀有金属膜的玻片，玻片的表面设置带有金属颗粒的样品溶液，完美径向偏振光束在玻片的金属膜和样品溶液的水界面之间激发会聚的表面等离激元光场；

照射扫描单元103用于产生照明光束，照明光束照射至所述玻片，对玻片上的所述样品溶液进行扫描；

计算机104分别与表面等离激元激发单元102和照射扫描单元103连接，计算机104用于对照射扫描单元103的扫描结果进行成像显示，并控制表面等离激元激发单元102利用表面等离激元光场对样品溶液中的金属颗粒进行动态操作。

需要说明的是，表面等离激元光镊作为一种比传统光镊更强力的科学工具被广泛用作研究微纳米物体的物理、化学和生物学特性。金属颗粒基于其特殊的化学和物理性质，在各种领域具有广泛的应用，包括光谱学、催化、生物科学和技术、医学科学和技术等。但传统的光学镊子很难捕获金属颗粒。而表面等离激元光镊是在金属薄膜上激发的表面等离子体激元极化，对金属颗粒表现出较强的吸引力，使得金属颗粒的捕获得以实现。

此外，表面等离激元激发的虚拟探针可以在被捕获的金属颗粒和金属表面之间构建间隙，这种间隙可以形成强烈的电场增强，可以应用于动态表面增强拉曼光谱(Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS)中，包括具有纳米尺寸定位分辨率的动态等离子体纳米间隙改善单分子的SERS检测。

对于所有光镊类型来说，捕获刚度是一个不可忽视的问题。然而，从布朗运动到热对流，不可避免地影响着施加在粒子上的光学力的平衡。在纳米加工、传感和量子技术方面，要求有稳定的捕获和操纵。提高刚度的最直接方式是增强捕获的光学力，同时减少影响平衡的加热效应。

其中，在减少影响平衡的加热效应方面，冷却是常用的方法，并已广泛用于光镊系统，但冷却模块并不容易控制。此外，全光激励SPP光镊系统的热效应很小，所起的作用有限。由于对颗粒的捕获力和散射力与激发光场之间有很深的联系，可以通过调制光场的方法实现金属颗粒的稳定捕获。

尽管径向偏振光束是激发SPP进行光镊捕获颗粒的有效方法，但是存在一个缺陷就是入射光利用率不高，只有特殊入射角度的光才能激发SPP。透射金属薄膜之后的光作用于粒子上的是散射力，同时加热周围环境，增强了颗粒的布朗运动，使得金属颗粒无法稳定捕获在聚焦光斑中心，这对于需要长积分时间的拉曼增强测量，颗粒的的不稳定成为一个致命的问题。

一般径向偏振光束的中心偏振方向是不确定的，会形成一个类似于面包圈的结构，其中，面包圈结构使原高斯光的中心光强分散到环上。由于只有满足特定入射角的光才能激发出SPP，因此，一般径向偏振光束中只有一个非常细环状区域的光被吸收用于激发SPP。因此，一般径向偏振光束能够激发SPP虚拟探针，但是它的大部分能量都被浪费掉，这些浪费掉的能量会被金属表面吸收、散射和反射，从而使聚焦区域的温度升高，加速聚焦区域的布朗运动，不利于金属颗粒的稳定捕获。完美径向偏振光束是一个环形的完美涡旋光束，利用完美径向偏振光束来激发SPP虚拟探针，能有效的利用入射光的能量，避开中心区域的散射光，降低温度升高和布朗运动对颗粒捕获稳定性的影响，使得该种光镊对颗粒的捕获稳定性得到明显提升，捕获刚度增加两倍以上。

进一步的，请参阅图2，为本实用新型实施例中激发光单元101的结构示意图。该激发光单元101包括激光器1011、第一透镜组1012、偏振片1013、波片组1014和第二透镜组1015；

激光器1011用于产生预置波长的激光光束，激光光束射入第一透镜组1012；

第一透镜组1012用于对入射的激光光束进行扩束准直得到平行光，平行光射入偏振片1013；

偏振片1013用于对平行光进行偏振调制得到偏振光，偏振光射入波片组1014；

波片组1014用于对偏振光进行调制得到径向偏振光束，径向偏振光束射入第二透镜组1015；

第二透镜组1015用于对径向偏振光束进行调制得到完美径向偏振光束，完美径向偏振光束射入表面等离激元激发单元102。

进一步的，第一透镜组1012包括第一凸透镜和第二凸透镜，第一凸透镜的焦距小于第二凸透镜的焦距，激光器1011输出的激光光束依次经过第一凸透镜和第二凸透镜后输出平行光。

进一步的，波片组1014包括四分之一波片和涡旋波片，偏振片1013输出的偏振光依次经过四分之一波片和涡旋波片后输出径向偏振光束。

进一步的，第二透镜组1015包括第一锥镜和第二锥镜，第一锥镜与第二锥镜背向放置，波片组1014输出的径向偏振光束依次经过第一锥镜和第二锥镜后输出完美径向偏振光束。

需要说明的是，在需要产生一般径向偏振光束时，仅需将本实施例激发光单元101中的第二透镜组1015替换成第三透镜组即可，激发光单元101中的其他装置保持不变。用于产生一般径向偏振光束的第三透镜组包括两个凸透镜，而用于产生完美径向偏振光束的第二透镜组1015为背向放置的第一锥镜和第二锥镜，完美径向偏振光束是一个环形的完美涡旋光束，其环形的粗细可通过改变两个锥镜之间的距离来调节。

进一步的，请参阅图3，为本实用新型实施例中表面等离激元激发单元102的结构示意图。该表面等离激元激发单元102除包括镀有金属膜的玻片1021外，玻片1021的表面设置带有金属颗粒的样品溶液，还包括分束器1022、高数值孔径物镜1023和扫描平台1024，扫描平台1024用于放置玻片1021；

分束器1022用于对激发光单元101输出的完美径向偏振光束进行反射，反射后的完美径向偏振光束射入高数值孔径物镜1023；

高数值孔径物镜1023用于对分束器1022反射的完美径向偏振光束进行耦合，耦合后的完美径向偏振光束入射至玻片1021，完美径向偏振光束在玻片1021的金属膜和样品溶液的水界面之间激发会聚的表面等离激元光场，并反射一部分光；

扫描平台1024与计算机104连接，计算机104控制扫描平台1024的移动，以实现利用表面等离激元光场对样品溶液中的金属颗粒进行动态操作。

进一步的，表面等离激元激发单元102还包括第一电荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)图像传感器1025，第一CCD图像传感器1025与计算机104连接；

玻片1021反射的光经过高数值孔径物镜1023的耦合后射入分束器1022，经过分束器1022透射后射入第一CCD图像传感器1025，由计算机104实现对表面等离激元光场的成像显示。

需要说明的是，射入第一CCD图像传感器1025的光，通过计算机104实现对表面等离激元光场的成像显示。在计算机104上可以明显观察到完美径向偏振光束激发的表面等离激元光场的情况。

进一步的，请参阅图4，为本实用新型实施例中照明扫描单元103的结构示意图。该照明扫描单元103包括照明光源1031、反射镜1032、滤波片1033和第二CCD图像传感器1034，第二CCD图像传感器1034与计算机104连接；

照明光源1031用于产生照明光束，照明光束经过反射镜1032反射后入射至玻片1021，经玻片1021反射后，依次经过反射镜1032透射和滤波片1033滤波后，射入第二CCD图像传感器1034，第二CCD图像传感器1034用于对玻片1021上的样品溶液进行扫描，由计算机104对扫描结果进行成像显示。

进一步的，照明光源1031为白光光源。

进一步的，金属颗粒为1微米的金属颗粒。

需要说明的是，照明光源1031用于产生照明光束，照明光束经过反射镜1032反射后入射至玻片1021，经玻片1021反射后，依次经过反射镜1032透射和滤波片1033滤波后，射入第二CCD图像传感器1034，第二CCD图像传感器1034用于对玻片1021上的样品溶液进行扫描，主要为扫描金属颗粒，由计算机104对扫描结果进行成像显示，该成像显示包括金属颗粒的动态操作及捕获情况。

其中，计算机104分别与扫描平台1024、第一CCD图像传感器1025和第二CCD图像传感器1034连接。玻片1021反射的光经过高数值孔径物镜1023的耦合后射入分束器1022，经过分束器1022透射后射入第一CCD图像传感器1025，在计算机104上观察完美径向偏振光束激发的表面等离激元光场的情况；照明光源1031用于产生照明光束，照明光束经过反射镜1032反射后入射至玻片1021，经玻片1021反射后，依次经过反射镜1032透射和滤波片1033滤波后，射入第二CCD图像传感器1034，经由计算机104控制扫描平台1024的移动，在计算机104上显示金属颗粒的动态操作及捕获情况。

在本实用新型实施例中，该装置利用完美径向偏振光束激发表面等离激元光场，由于完美径向偏振光束为环形涡旋光束，能有效的利用入射光的能量去激发表面等离激元光场，且避开了中心区域的散射光，减弱了温度升高和布朗运动对颗粒稳定捕获的影响，能增加颗粒捕获的稳定性。

以上为对本实用新型所提供的一种表面等离激元光镊装置的描述，对于本领域的技术人员，依据本实用新型实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。