一种利用超透镜作为光力探针实现光牵引力的方法

1.本发明属于光学精密测量技术领域，具体涉及一种利用超透镜作为光力探针实现光牵引力的方法。


背景技术：

2.光具有能量和动量，光和物体相互作用时，二者会发生动量的传递，物体的动量随着时间的变化即产生光力。光学操纵是一项利用光力囚禁或移动光力探针的技术。目前，光学操纵技术已经广泛应用于生物活体细胞操纵、材料组装、精密测量和传感等研究领域。光学操纵中使用的光力除了用于囚禁光力探针的光梯度力和推动光力探针的光推力外，还包括一种反直觉的力——光牵引力(optical pulling force,opf)，它可以使光力探针沿着与光传输相反的方向移动。opf在远距离物质输送、光学旋转和光学分选等方面具有潜在的应用前景，为光学操纵增加了额外的自由度。
3.目前已有多种方案可实现opf，主要包括调控入射电磁场、改变光力探针所处环境的光学属性和改变光力探针本身的光学属性等方案。调控入射电磁场方案主要包括采用贝塞尔光束、手性光束或者多级干涉光束等特殊光场照射光力探针，通常需要搭建复杂的光路系统或者借助于空间光调制器来实现；改变光力探针所处环境的光学属性方案通常包括非线性溶剂、光子晶体结构化背景、光波导系统等方案，使用范围受限；改变光力探针的光学属性方案通常是在光力探针中掺杂增益介质或者金属离子，通过激发受激辐射或者诱导出射光场发生多级干涉，增加出射光场的前向动量，使得光力探针获得反冲动量而实现，但现有的光力探针的加工合成过程复杂，且较难获取原材料，因此这些方案较难通过实验的方式实现。超透镜的出现，为上述问题的解决提供了一种独特的方法。超透镜是一种人工合成、具有周期性元胞结构的透镜。通过对其单元结构的尺寸和形状进行合理的设计，可以实现电磁波任意方向的调控。并且，其具备加工工艺成熟、可批量化生产等优势，已经在使用光学操纵技术的领域中彰显出她迷人的魅力。
4.本发明提出了采用超透镜作为光力探针实现opf的方法。通过设计可实现发散光到平行光转换的超透镜，使得出射光的动量在光轴方向的投影远大于入射光动量在光轴方向的投影，形成指向光源的反冲动量传递给光力探针本身，从而得到opf。
5.该超透镜可以作为生物医学和纳米科技领域中独特的光力探针，提供更大的操纵自由度。该超透镜光力探针的潜在应用是用于太空中的太阳帆设计中，以实现太阳帆的航向控制和减轻系统的多普勒频移效应。目前为止，尚未见到有关于利用超透镜作为光力探针实现opf的报道。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是：提出一种利用超透镜作为光力探针实现opf的方法，opf实现整个过程不增加额外的前向散射，由超透镜对出射光场实现重新定向，具有偏振敏感、宽频带、低吸收、结构简单、系统质量轻等优点。
7.为了便于描述，定义坐标系o
‑
xyz：以超透镜光力探针的几何中心轴为z轴，光输出的方向为z轴正向，以超透镜光力探针表面水平方向为y轴，以超透镜光力探针表面垂直方向为x轴，以超透镜光力探针的几何中心为原点o。
8.本发明采用的技术方案是：如图1中(a)图所示，一种利用超透镜作为光力探针实现光牵引力的方法，在光镊系统中采用超透镜作为光力探针，将光源1放置在超透镜光力探针的焦点位置附近，所述光源1发射的光束照射所述超透镜光力探针；所述光源1发射发散型光束，所述发散型光束的波长位于超透镜光力探针的透射波段之内；所述超透镜光力探针包括多个偶极子2和基底3，具有将所述光源1发射的发散型光束转换成平行光束的功能；所述偶极子2为柱状结构，其按照四方晶格周期阵列的方式排列在所述基底3靠近所述光源1一侧的表面上。
9.进一步地，所述光源1的波长可调谐。
10.进一步地，所述光源1的束腰半径与所述超透镜光力探针的束腰半径匹配。
11.更进一步地，所述光源1发射的光束为左旋圆偏振高斯光束，且偏振态可调；所述超透镜光力探针表面任意坐标点(x,y)处的相位满足
[0012][0013]
其中，(x0,y0,
‑
f)为超透镜光力探针的焦点坐标，λ是超透镜光力探针的入射光波长，f是超透镜光力探针的焦距；所述偶极子2为椭圆柱或长方体，其旋转角β与所述超透镜光力探针表面的相位满足
[0014]
更进一步地，所述偶极子2采用具有在工作波段内介电常数高且损耗低的特性材料制成，包括单晶硅、氮化硅和二氧化钛；所述基底3采用二氧化硅材料制成。
[0015]
本发明除了低吸收、结构简单、系统质量轻等优点外，还具有以下有益效果：(1)本发明可以利用超透镜光力探针的宽带特性，显现出宽带光牵引的优势；(2)本发明可以通过调节入射光的偏振态，实现从opf到光推力的转换。这两个特征对于空间科学中太阳帆的研究有着重要意义。将超透镜光力探针的偏振敏感特性与自稳定超透镜相结合，可以运用于太阳帆的航向控制中。而将超透镜光力探针的宽带特性运用于超高速太阳帆系统中，可以减轻多普勒频移效应对系统的干扰。
附图说明
[0016]
图1为本发明实现opf原理示意图。其中，(a)图为波矢方向变化示意图；(b)图为波矢长度变化的等频线示意图。
[0017]
图2为本发明所述超透镜光力探针的结构示意图。其中，(a)图为所述超透镜光力探针结构示意图；(b)图为所述超透镜光力探针周期阵列单元结构示意图，a、b和h分别为周期阵列单元椭圆柱偶极子结构的短轴、长轴和高度，d和t分别为周期阵列单元基底的宽度和厚度；(c)图为所述偶极子相对所述基底旋转β角示意图。
[0018]
图3为本发明实现光推力原理示意图。其中，(a)图为波矢方向变化示意图；(b)图为波矢长度变化的等频线示意图。
[0019]
图4为本发明实施例中左旋圆偏振光(lcp)入射时的opf。
[0020]
图5为本发明实施例中右旋圆偏振光(rcp)入射时的光推力。
[0021]
图6为本发明实施例中opf与入射光波长之间的关系示意图。
具体实施方式
[0022]
下面结合附图对本发明的一个实施案例作详细的说明，但不应因此限制本发明的保护范围。
[0023]
如图1所示，一种利用超透镜作为光力探针实现光牵引力的方法，在光镊系统中采用超透镜作为光力探针，将光源1放置在超透镜光力探针的焦点位置附近，所述光源1发射的光束照射所述超透镜光力探针；所述光源1发射发散型光束，所述发散型光束的波长位于超透镜光力探针的透射波段之内；所述超透镜光力探针包括多个偶极子2和基底3，具有将所述光源1发射的发散型光束转换成平行光束的功能；所述偶极子2为柱状结构，其按照四方晶格周期阵列的方式排列在所述基底3靠近所述光源1一侧的表面上。
[0024]
优选地，所述光源1的波长可调谐。
[0025]
优选地，所述光源1的束腰半径与所述超透镜的束腰半径匹配。
[0026]
优选地，所述光源1发射的光束为lcp高斯光束，且偏振态可调；所述超透镜光力探针表面任意坐标点(x,y)处的相位满足公式(1)；所述偶极子2为椭圆柱或长方体，其旋转角β与所述超透镜光力探针表面的相位满足
[0027]
优选地，所述偶极子2采用具有在工作波段内介电常数高且损耗低的特性材料制成，包括单晶硅、氮化硅和二氧化钛；所述基底3采用二氧化硅材料制成。
[0028]
如图1和图2所示，本实施例中光源1采用波长可调谐、偏振态可调且发射lcp高斯光束的激光光源1，超透镜光力探针由多个偶极子2和基底3组成，偶极子2按照四方晶格周期阵列的方式排列在基底3靠近光源1一侧的表面上。其中，超透镜光力探针结构如图2中(a)图所示，偶极子2为椭圆柱，其结构如图2中(b)图所示，长轴b为0.35μm，短轴a为0.1μm，高度h为1μm，周期d为0.8μm，材料为单晶硅；其与基底3相对关系如图2中(c)图所示，旋转角为β；基底3厚度t为0.1μm，材料为二氧化硅；超透镜光力探针的总直径为20μm，焦距f为20μm，数值孔径为0.4，焦点半径为2μm。
[0029]
将光源1放置在超透镜光力探针的焦点f(x0,y0,
‑
f)处，输出波长为1.817μm的lcp高斯光束照射超透镜，超透镜光力探针表面任意坐标点(x,y)处的相位满足公式(1)。
[0030]
根据pancharatnam
‑
berry相位调制原理，每一个偶极子2相当于一个二分之一波片，它能够将入射圆偏振光转换为它的正交偏振光。假设入射圆偏振光的光场分布为：
[0031][0032]
其中，e0(r,β)为光场振幅，“+”代表lcp光，
“‑”
代表rcp光。经过超透镜之后，根据透射琼斯矩阵，出射光的光场分布为：
[0033][0034]
由公式(3)可知，当入射圆偏振光透过超透镜向前传播时，其出射光被分为两部
分：一部分为同偏振的出射光，该分量只有振幅调制，而不具有任何相位调制；另一部分为交叉偏振的出射光，其不但有振幅调制，同时还伴随着与偶极子2旋转角密切相关的的相位调制。
[0035]
如图1中(a)图所示，假设将光源1放置在所述超透镜光力探针的焦点位置，所述光源1输出lcp高斯光束照射所述超透镜光力探针，此时所述超透镜光力探针表面偶极子2旋转角的排布根据入射光为lcp光而设计。假设入射光波矢为k
in
，与光轴方向成θ角，通过所述超透镜光力探针将入射的发散光转化成平行光的功能，以及可实现高达90％的偏振转换效率的功能，可以得到与光轴方向完全平行的rcp出射光波矢k
sca
。由图1中(b)图可知，根据线动量守恒定律，超透镜光力探针在光轴方向上获得的波矢量k
probe
＝k
in
cosθ
‑
k
sca
。我们假定所设计的超透镜光力探针可以实现100％透射，那么出射光波矢大小k
sca
完全等于入射光波矢大小k
in
，即k
sca
＝k
in
；由于入射光波矢是以与z轴成θ角的形式斜入射到超透镜光力探针上，由此得到k
probe
＝k
in
(cosθ
‑
1)<0。由于轴向光力大小与动量变化成正比，动量变化与波矢变化成正比，此时轴向光力可表示为：
[0036]
f
z
＝(p/c)(cosθ
‑
1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0037]
式中，p为入射光作用在超透镜光力探针上的总功率，c为光速。由于cosθ<1，那么作用在该光力探针上的轴向光力总是负的，如图4所示。
[0038]
若将光源1的偏振态调整为rcp，由于本实施例中，所述超透镜光力探针表面偶极子2旋转角的分布是根据入射光为lcp时而设计的，因此，在rcp光的照射下，所述超透镜光力探针失去了将发散光转换成平行光的功能，在该情况下，rcp光透过超透镜光力探针之后，将继续以发散的形式向前传播，如图3中(a)图所示。根据图3中(b)图分析透射前后的光波矢的变化量，超透镜光力探针在光轴方向上获得的波矢量为k
probe
＝k
in
cosθ
‑
k
in
cosγ；由于入射光的入射角θ小于出射光的发散角β，因此，k
in
cosθ>k
in
cosγ，由此得到k
probe
>0。由于轴向光力大小与动量变化成正比，动量变化与波矢变化成正比，此时轴向光力可表示为：
[0039]
f
z
＝(p/c)(cosθ
‑
cosγ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0040]
由公式(5)计算得到此时超透镜光力探针所受的光力为正值，如图5所示，即为沿着光传输方向的光推力，由此实现了opf到光推力的转换。
[0041]
若将光源1的偏振态调为lcp状态，使光波长在近红外波段1.517μm
–
2.117μm范围内变化，可得到宽带opf，如图6所示。
[0042]
由上可知，本发明除了低吸收、结构简单、系统质量轻等优点外，还具有以下优点：
[0043]
(1)本发明所设计的超透镜光力探针具备偏振敏感特性，通过调节入射光的偏振态，可以实现轴向光力从opf到光推力的转换。
[0044]
(2)本发明所设计的超透镜光力探针具备宽带特性，可以在1.517μm
–
2.117μm的近红外波段的入射光的照射下，实现宽带光牵引。
[0045]
因此，将超透镜光力探针的偏振敏感特性与自稳定超透镜相结合，可以运用于太阳帆的航向控制中；将超透镜光力探针的宽带特性运用于超高速太阳帆系统中，可以减轻多普勒频移效应对系统的干扰。