光纤探针型近场光镊光阱力特性研究

　　0　引言

　　微纳米技术的迅猛发展带来了新的技术挑战,伴随着自下而上加工手段的日益进步,微纳米尺度上的操作技术变得越来越重要.在纳米生物、纳米材料等领域[1-2],为实现科学研究的需要,亟需无接触、对物体无损伤的纳米操作技术,光镊作为一种重要的微纳米操作技术,利用光的动量改变来实现微粒的无接触、无损伤捕获与操作,已在生物学和表面科学等领域得到了广泛的应用.

　　利用光纤微透镜形成光学势阱的特性,光纤光镊具有较高的操作自由度与灵活度,但也存在一些缺点,比如液体的表面张力对光纤的移动存在影响,由于受到光学衍射极限的限制不能捕获更小的微粒[3].最近发展起来的近场光镊能突破衍射极限,它利用探针尖附近局域增强场所产生的强梯度力来捕获纳米微粒,可实现对几十纳米至几纳米微粒的捕获[4].刘秀梅等人[5]用数值模拟的方法研究了光纤探针的近场光学分布, Tanaka等人[6]建立了孔径光纤探针捕获纳米微粒的模型,并对隐失场与微粒的相互作用进行了分析,Chaumet等人[7]使用具有无孔钨探针的近场扫描光学显微镜在真空或空气中,在玻璃基底上有选择性地捕获了纳米微粒,Gu等人[8,9]设计了新的近场捕获方案并进行了实验研究.然而该技术目前仍处于初始研究阶段,粒子捕获体积还比较大,实验上还没有得到令人满意的结果.此外,常规电磁模型中偶极近似的限制以及分别计算梯度力和散射力带来的误差也给光阱力的计算带来了不便[10].

　　在近场光镊纳米操作过程中,光纤探针会对样品表面电磁场产生局部扰动,为分析系统的近场捕获能力,需要对探针与样品间的相互作用力进行研究.本文在电磁模型的基础上推导出一种基于三维时域有限差分法( Three-dimensional FiniteDifference Time Domain,3D FDTD)和麦克斯韦应力张量的近场光阱力计算方法.利用该数值方法计算了近场光镊中的近场分布及纳米微粒所受的光作用力,通过对作用力特性的分析获得近场光镊的具体捕获位置以及微粒尺寸对捕获效果的影响,为激光近场光镊纳米操作装置的设计制造和捕获样品的选择提供了理论指导.

　　1　光阱力计算模型

　　1.1　近场计算模型

　　近场光镊主要利用近场空间内的电磁场产生的梯度力来完成对纳米微粒的操作,由于涉及到电磁波在金属界面的反射,其特性要远比电介质界面复杂,需要全矢量的电磁场分析.采用二维时域有限差分法分析近场光纤探针的电磁波传播特性时虽然能够在一定程度上描述其物理性质,但针对偏振效应,该方法只能采取一定的近似,分别针对平行偏振方向或垂直入射平面来进行讨论,而忽略了不同偏振之间的转换,因此准确的物理描述不能仅仅依靠二维模型完成.为准确地描述电磁波在锥形镀膜光纤探针中的传播,必须采用三维模型来反映实际物理空间.通过三维时域有限差分法得到电磁场六个分量的全矢量描述,可以获得电磁场各个分量的时间和空间的完整特性,有助于分析各分量在近场纳米操作中的作用.