本发明属于近场光学技术领域，尤其涉及一种表面等离激元光镊装置。
背景技术：
光学涡旋ov(opticalvortices)是一种拥有螺旋相位和轨道角动量(orbitalangularmomenturn，oam)的特殊光束，由于其独特性质近年来成为一个研究的热点。光学涡旋光镊技术一直广泛应用于对微观物质的光学操纵领域，其作用可类似于一个光学扳手。近年来，基于微纳结构--金属膜结构的等离激元结构在包括纳米技术、微加工/制作、光谱学、传感、催化、生物技术以及医药科学等领域具有非常重要的研究价值和现实意义。
在传统的激光光镊中，如纳米线或纳米棒的微纳结构在光场中通常会受到两种力的作用，即由纳米线周围光强分布不均匀产生的梯度力，该梯度力一般表现为吸引力，和由纳米线对光的散射与吸收产生的散射力，该散射力一般表现为排斥力。当光镊对其产生的吸引力大于排斥力时，微纳结构就会被光镊系统捕获。
在现有技术中，金属微纳结构由于在激光光镊中受力不均匀且难以控制，因而难以实现对其在三维空间内的稳定捕获与定向旋转操控。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种表面等离激元光镊装置，旨在解决现有技术中，金属微纳结构在激光光镊中受力不均匀且难以控制，难以实现对其在三维空间内的稳定捕获与定向旋转操控的问题。
本发明是这样实现的，一种表面等离激元光镊装置，包括激发光单元、表面等离激元激发单元和扫描控制及监测单元，所述表面等离激元激发单元包括镀有金属膜的玻片，待进行动态操控和定向旋转的微纳结构溶液置于所述玻片的表面；
所述激发光单元，用于产生涡旋光束，并将所述涡旋光束入射至所述表面等离激元激发单元；
所述表面等离激元激发单元，用于利用所述涡旋光束分别在所述金属膜和所述微纳结构溶液的水界面上激发会聚的表面等离激元涡旋光场，通过所述表面等离激元涡旋光场对所述微纳结构溶液中的微纳结构进行动态操控和定向旋转；
所述扫描控制及监测单元，用于对所述微纳结构的动态操控和定向旋转进行实时监测。
进一步地，所述激发光单元包括激光器、透镜组、偏振片、第一波片组、反射镜和第二波片组：
激光器，用于产生预置波长的激光光束，并将所述激光光束入射至所述透镜组；
所述透镜组，用于对入射的激光光束进行扩束准直，将准直得到的平行光入射至所述偏振片；
所述偏振片，用于对所述平行光进行偏振调制，将偏振得到偏振光入射至所述第一波片组；
所述第一波片组，用于将所述偏振光调制为圆偏振涡旋光束，将得到的圆偏振涡旋光束入射到所述反射镜；
所述反射镜，用于将所述圆偏振涡旋光束反射入所述第二波片组；
所述第二波片组，用于对所述圆偏振涡旋光束进行调制得到带有更高阶拓扑荷的涡旋光束，并将所述涡旋光束入射至所述表面等离激元激发单元。
进一步地，所述表面等离激元激发单元包括分束器、高数值孔径物镜、扫描平台、镀有金属膜的玻片，所述镀有金属膜的玻片放置在所述扫描平台上；
所述分束器，用于将所述涡旋光束分成第一光束和第二光束，将所述第一光束入射至所述高数值孔径物镜；
所述高数值孔径物镜，用于将所述第一光束入射到所述镀有金属膜的玻片，使得所述第一光束在所述金属膜和所述微纳结构溶液的水界面上激发所述表面等离激元涡旋光场，还用于将所述微纳结构溶液的反射光进行耦合，耦合后得到的耦合光经所述分束器反射入所述扫描控制及监测单元；
所述扫描平台，用于动态调控激发所述表面等离激元涡旋光场及操控所述微纳结构的位置。
进一步地，所述扫描控制及监测单元包括滤光片、图像传感器ccd和计算机；
所述滤光片，用于对所述耦合光进行滤光，将滤光后的耦合光传输到所述图像传感器ccd进行成像；
所述计算机，分别与所述图像传感器ccd和所述扫描平台相连接，用于实时显示所述图像传感器ccd的成像图像，还用于控制所述扫描平台的移动。
进一步地，所述第一波片组包括四分之一波片和涡旋波片。
进一步地，所述第二波片组包括四分之一波片和涡旋波片。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明实施例提供的表面等离激元激发单元包括镀有金属膜的玻片，待进行动态操控和定向旋转的微纳结构溶液置于所述玻片的表面，激发光单元产生涡旋光束，该涡旋光束入射至表面等离激元激发单元后，分别在所述金属膜和所述微纳结构溶液的水界面上激发会聚的表面等离激元涡旋光场，通过所述表面等离激元涡旋光场对所述微纳结构溶液中的微纳结构进行动态操控和定向旋转，扫描控制及监测单元对所述微纳结构的动态操控和定向旋转进行实时监测。本发明实施例利用表面等离激元涡旋光场的近场电磁场增强和局部特性，能够增强介质及金属微纳结构在光场中受到的吸引力，同时利用涡旋光束的轨道角动量特性来增加调制金属微纳结构在光场中受力的维度，从而实现微纳结构在表面等离激元涡旋光场中定点的稳定捕获和动态操纵。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种表面等离激元光镊装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种表面等离激元光镊装置的详细结构示意图；
图3是本发明实施例提供的表面等离激元涡旋光场能流示意图；
图4是本发明实施例提供的表面等离激元涡旋操作微纳结构的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
表面等离激元是一种局域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。近年来关于表面等离激元的研究发现，由于表面等离激元的近场电磁场增强和局域特性，能够增强对介质及金属微纳结构在光场中受到的吸引力，而利用涡旋光束的轨道角动量特性可增加调制金属微纳结构在光场中受力的维度，能够实现包括纳米线或纳米棒在表面等离激元场中定点的稳定捕获与动态操纵。
而新型的表面等离激元光镊装置，能够实现对多种微纳结构的稳定捕获和动态操纵。利用线偏振光束经高数值孔径物镜会聚于金属膜表面激发产生表面等离激元涡旋光场，沿金属膜表面向光轴中心传播，并在中心处干涉产生两个强度极高、沿偏振方向对称分布的虚拟探针，微纳结构在表面等离激元场中会受到一个指向中心的极强的梯度力作用，将其吸引到中心位置，基于表面等离激元涡旋光场强度的非均匀分布，微纳结构两侧受力不均匀从而导致力矩的作用，可实现对其方向的调制。这种表面等离激元光镊对于多种材料、多种尺寸的纳米线(棒)结构都有很好的作用。
基于上述表面等离激元光镊技术，进一步实现对微纳结构进行精确定位、以及连续的定向旋转操控，可以进一步实现对微流体进行微搅拌等功能，在纳米技术、微加工/制作、光谱学领域具有非常重要的研究价值和现实意义。通过改变紧聚焦激发光的位相激发表面等离激元涡旋场，该表面等离激元涡旋光场的波矢方向沿圆周方向，由于表面等离激元涡旋光场spp(surfaceplasmonpolaritons)的光学力作用，微纳结构的两侧受力不平衡而实现定点连续定向旋转操控，达到微搅拌的功能。
基于上述原理，本发明实施例提供了如图1所示的一种表面等离激元光镊装置，包括激发光单元101、表面等离激元激发单元102和扫描控制及监测单元103，表面等离激元激发单元102包括镀有金属膜的玻片，待进行动态操控和定向旋转的微纳结构溶液置于所述玻片的表面；
激发光单元101，用于产生涡旋光束，并将所述涡旋光束入射至表面等离激元激发单元102；
表面等离激元激发单元102，用于利用所述涡旋光束分别在所述金属膜和所述微纳结构溶液的水界面上激发会聚的表面等离激元涡旋光场，通过所述表面等离激元涡旋光场对所述微纳结构溶液中的微纳结构进行动态操控和定向旋转；
扫描控制及监测单元103，用于对所述微纳结构的动态操控和定向旋转进行实时监测。
进一步地，如图2所示，激发光单元101包括激光器1、透镜组2、偏振片3、第一波片组4、反射镜5和第二波片组6：激光器1，用于产生预置波长的激光光束，并将所述激光光束入射至透镜组2；透镜组2，用于对入射的激光光束进行扩束准直，将准直得到的平行光入射至偏振片3；偏振片3，用于对所述平行光进行偏振调制，将偏振得到偏振光入射至第一波片组4；第一波片组4，用于将所述偏振光调制为圆偏振涡旋光束，将得到的圆偏振涡旋光束入射到反射镜5；反射镜5，用于将所述圆偏振涡旋光束反射入第二波片组6；第二波片组6，用于对所述圆偏振涡旋光束进行调制得到带有更高阶拓扑荷的涡旋光束，将得到的涡旋光束入射至表面等离激元激发单元102。
在本实施例中，激光器1可以依据要求发出不同波长的激光光束，第一波片组4和第二波片组6均由四分之一波片和涡旋波片组合而成。
表面等离激元激发单元102包括分束器7、高数值孔径物镜8、扫描平台9、镀有金属膜的玻片10，镀有金属膜的玻片10放置在扫描平台9上；分束器7，用于将所述涡旋光束分成第一光束和第二光束，将所述第一光束入射至高数值孔径物镜8；高数值孔径物镜8，用于将所述第一光束入射到镀有金属膜的玻片10，使得所述第一光束在所述金属膜和所述微纳结构溶液的水界面上激发所述表面等离激元涡旋光场，还用于将所述微纳结构溶液的反射光进行耦合，耦合后得到的耦合光经分束器7反射入扫描控制及监测单元103；扫描平台9，用于动态调控激发所述表面等离激元涡旋光场及操控所述纳米结构的位置。在本实施例中，分束器7可以使用半透半反射镜实现上述功能，更具体地，分束器7倾斜放置，其与水平方向的夹角为45度。
扫描控制及监测单元103包括滤光片11、图像传感器ccd12和计算机13；滤光片11，用于对所述耦合光进行滤光，将滤光后的耦合光传输到图像传感器ccd12进行成像；计算机13，分别与图像传感器ccd12和扫描平台9相连接，用于实时显示图像传感器ccd12的成像图像，还用于控制扫描平台9的移动。
具体地，在扫描控制及监测单元103上装载有扫描平台控制系统和监测系统，可以通过该扫描平台控制系统对扫描平台9进行控制，及通过监测系统实现对动态操纵情况的实时监测。
在本实施例中，涡旋光束经高数值孔径物镜8聚焦后会在金属膜界面构成形成表面等离激元涡旋光场，该表面等离激元涡旋光场能够实现纳米到微米尺度的微纳结构的稳定捕获与定向旋转操控，扫描控制与监测单103元通过表面等离激元光场的光学力的作用以及激光光束的位相调控实现对微纳结构进行准确定位、绕轴转动，实现对液体进行微搅拌功能，并同时实现对微纳结构的运动状态进行实时观测，本发明实施例中产生的表面等离激元涡旋光场带有轨道角动量，由于动量守恒，光子的动量传递到纳米线上，从而产生绕轴旋转，进而实现搅拌等功能。而本发明实施例提供的基于微纳结构-金属膜结构的表面等离激元光镊装置在包括纳米技术、微加工/制作、光谱学、催化、生物技术以及医药科学等领域具有非常重要的研究价值和现实意义。
在发明实施例中，通过改变激光器产生的激光光束的位相，可激发不同的表面等离激元涡旋光场，通过激发不同的表面等离激元涡旋光场能够实现对微纳结构的定位、绕轴旋转和微搅拌功能，表面等离激元涡旋光场的波矢方向沿圆周方向，如图3所示。
处于表面等离激元涡旋光场内的微纳结构由于受到表面等离激元涡旋光场导致的库仑力作用而被俘获并稳定在虚拟探针位置，改变激光光束的位相使得微纳结构两侧受力不平衡而实现旋转的操控，如图4所示，图4中的白色棒表示纳米线或者纳米棒。改变涡旋光束的拓扑荷特性即可实现微纳结构的定向操控。动态操纵的过程可通过计算机13连接的图像传感器ccd12来实时检测，通过对扫描平台9进行高精度的控制，可以实现对单个纳米线(棒)的精密操纵。
本发明实施例提供的表面等离激元光镊装置通过涡旋光束激发表面等离激元涡旋光场，该表面等离激元涡旋光场可实现对微纳结构的稳定捕获和定向旋转，通过扫描平台控制未按结构的位置，可进一步实现对微流液体的搅拌等功能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。