一种基于光学相变材料的多阱光镊超透镜

1.本发明属于光镊技术领域，具体是涉及到一种基于光学相变材料的多阱光镊超透镜。


背景技术：

2.光镊技术可以实现对多种粒子的非接触式捕获和操纵，在生物学领域和物理学领域发挥着重要的作用。近年来，为提高了光镊的捕获性能，多阱光镊也逐渐成为研究的热点，并主要应用于细胞分类、微粒之间作用力测量和光镊成像打印等方面。目前多阱光镊可以通过全息光镊技术、多光束干涉、光纤成像等方法来实现，最终实现对多个粒子的同时捕获和操纵。
3.随着超表面技术的快速发展，超透镜凭借着高集成性和超高数值孔径(numericalaperture，na)等优势，已成功应用于光镊系统，并实现对纳米级粒子的捕获和操纵。超透镜在多阱光镊领域的应用，虽然，实现了偏振敏感的多焦点涡旋超透镜对微粒的捕获和操纵，以及将光镊和光扳手集成在一个超透镜上，形成双焦平面来对粒子进行捕获和操纵。但是，目前应用在多阱光镊领域的超透镜并不能实现对焦点的可控，多个焦点只能同时出现和同时消失，因此只能完成一种方式的粒子捕获，降低了粒子捕获和操控的灵活性和高效性。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种基于光学相变材料的多阱光镊超透镜，仅通过使用同一个超透镜便可实现多种方式捕获粒子，并形成多种形状的捕获图案，提高了光镊的灵活性和高效性。
5.基于上述目的本发明提供的一种基于光学相变材料的多阱光镊超透镜，包括：若干光学相变材料纳米方柱、ito层和基底，若干所述光学相变材料纳米方柱在ito层上至少分成两个区域排布，通过ito层的温度调节，使每个区域的光学相变材料纳米方柱均可实现晶态和非晶态之间的互相转换；
6.每个区域的光学相变材料纳米方柱处于晶态时，入射波透过每个区域能够形成焦点，处于非晶态时，形成不了焦点。
7.可选地，所述ito层的表面分成多个单元结构组成的网格，每个单元结构的中心设置一个光学相变材料纳米方柱，所述光学相变材料纳米方柱的长度和宽度均小于单元结构的长度。
8.可选地，所述单元结构的长度p为1/2λ，λ为入射波波长。
9.可选地，所述单元结构为方形，将单元结构的相邻两边分为x、y轴，垂直方向为z轴，所述光学相变材料纳米方柱的旋转角θ为光学相变材料纳米方柱长度方向与x轴的夹角，所述旋转角θ与pb相位的响应关系为：为超透镜每区域所对应的相位。
10.可选地，所述光学相变材料纳米方柱的高度h为1-1.5μm，长度l和宽度w均为
100nm-400nm。
11.可选地，所述光学相变材料为sb2s3、gsst和gst中的一种。
12.可选地，所述ito层的厚度不超过0.03μm。
13.可选地，所述ito层是通过ito气相沉积或溅射沉积到基底表面形成的薄膜。
14.可选地，所述光学相变材料纳米方柱的形成方法为：首先通过电子束蒸发、化学气相沉淀和分子束外延方法中的一种生成在ito层表面，再通过电子光刻工艺形成。
15.可选地，所述基底材料为sio2。
16.本发明的有益效果是：本发明提供的基于光学相变材料的多阱光镊超透镜，用于对粒子的可控3d捕获，在入射光功率保持一定的情况下，当光学相变材料纳米方柱处于晶态时，粒子可以被稳定的3d捕获；而当光学相变材料纳米方柱处于非晶态时，粒子则不能实现3d捕获，从而实现对粒子可控3d捕获。通过将超透镜表面分布的光学相变材料纳米方柱分成多个区域，实现了更多粒子的可控3d捕获，并形成不同形状的捕获图案，进一步增加光镊的高效性。
附图说明
17.图1为本发明实施例提供的用于双阱光镊的超透镜结构图；
18.图2为本发明实施例提供的超透镜的单元结构的立体结构示意图；
19.图3为本发明实施例提供的超透镜的单元结构的俯视图；
20.图4为本发明实施例提供的穿过超透镜的入射光和出射光路径图；
21.图5为本发明实施例提供的sb2s3处于非晶态下，纳米方柱不同宽度、长度的pce图；
22.图6为本发明实施例提供的sb2s3处于晶态下，纳米方柱不同宽度、长度的pce图；
23.图7为本发明实施例提供的相位和pce与旋转角的关系图；
24.图8为本发明实施例提供的双阱光镊的超透镜分别在xz平面和xy平面的强度分布图；
25.图9为本发明实施例提供的施加在粒子上f
x
和fz分别与x位移和z位移的关系图；
26.图10为本发明实施例提供的双阱光镊的sb2s3纳米方柱为晶态时f
x
和fz的势阱深度图；
27.图11为本发明实施例提供的用于多阱光镊的超透镜结构图；
28.图12为本发明实施例提供的多阱光镊的超透镜分别在xy平面和xz平面的强度分布图；
29.图13为本发明实施例提供的超透镜中间区域的sb2s3在晶态和非晶态下粒子受到的f
x
与x位移的关系；
30.图14为本发明实施例提供的超透镜中间区域的sb2s3在晶态和非晶态下粒子受到的fz与z位移的关系；
31.图15为本发明实施例提供的超透镜中间区域的sb2s3在晶态下状态下f
x
和fz的势阱深度图；
32.图16为本发明实施例提供的超透镜其中6种聚焦状态的xy平面和xz平面强度分布图。
33.图中：10、光学相变材料纳米方柱；20、ito层；30、基底。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
35.实施例1
36.如图1所示，本发明提供了一种基于光学相变材料的多阱光镊超透镜，以sb2s3为光学相变材料制得光学相变材料纳米方柱10(以下称sb2s3纳米方柱)，其中超透镜的直径为25μm，工作波长为1064nm，入射波长为右旋圆偏振光(rcp)，输出光场为左旋圆偏振光(lcp)。超透镜由光学相变材料sb2s3纳米方柱、ito层20(ito是一种n型氧化物半导体-氧化铟锡，ito薄膜即铟锡氧化物半导体透明导电膜，通常有两个性能指标：电阻率和透光率。)和sio2基底30组成，sb2s3纳米方柱首先通过电子束蒸发、化学气相沉淀、分子束外延等方法生成在ito层20表面，再通过电子光刻工艺形成，该超透镜并被分为a和b两个区域，每个区域都可以实现sb2s3纳米方柱晶态和非晶态之间的互相转换。
37.当sb2s3纳米方柱为晶态，光可以透过；当sb2s3纳米方柱为非晶态，光基本不能透过。图1(a)为a和b两区域的sb2s3均处于晶态时，可以形成两个焦点。图1(b)为a区域的sb2s3处于晶态，b区域的sb2s3为非晶态时，只在a区域可以形成焦点。图1(c)为a区域的sb2s3处于非晶态，b区域的sb2s3处于晶态时，只有b区域可以形成焦点。图1(d)为a(y》0)和b(y《0)两区域的sb2s3均处于非晶态时，两区域均没有形成焦点，以该超透镜的中心为坐标原点。因此，在入射光功率保持一定的情况下，只需要控制sb2s3的状态，便可以灵活调整超透镜的聚焦状态。
38.超透镜的a(y》0)和b(y《0)区域分别对应两种不同的相位分布，a区域所对应的相位分布为：
[0039][0040]
b区域所对应的相位分布为：
[0041][0042]
其中，(x,y)代表超透镜表面的坐标，(xa,ya)为焦点坐标，λ为入射波波长，f为焦距。焦点坐标(xa,ya)＝(5μm,0)，a和b区域的焦距f均为2.5μm。为响应相位，采用pancharatnanm-berry(pb)相位来实现。
[0043]
超透镜的单元结构如图2-图4所示，单元结构为方形，这里的方形为正方形或长方形，p为单元结构的周期(即一边的长度，为长方形较长一边的长度)，取值为0.5μm，大约为1/2λ。ito层20主要实现温度快速调节作用，厚度t取值为0.03μm。为满足单元结构相位的2π分布，sb2s3纳米方柱的高度h设置为1μm。w和l为sb2s3纳米方柱的宽和长，可由后续优化得到。纳米方柱与x轴的夹角为θ，当入射光为lcp时，根据琼斯矩阵的原理，单元结构的出射光场为：
[0044][0045]
其中，表示光的偏振态，α为传播常数。输出光场中包含仅振幅调节的同偏振光和具有相位调制的交叉偏振光，并且纳米方柱旋转角θ与pb相位的响应关系为sb2s3光学相变的晶态和非晶态可以通过温度的调控来实现可逆转换，ito材料拥有足够用的导电性，可以通过焦耳加热sb2s3纳米方柱，因此通过施加适当的电流脉冲(～0.3v)，可以快速进行温度调节，从而可以可逆调节sb2s3纳米方柱的状态，还可以通过激光分别照射超透镜不同区域所在的ito层20，使ito层20快速升温达到光学相变材料纳米方柱10晶态和非晶态的转变，在1064nm波长下的折射率分别为3.4和2.6，并且损耗均接近0。为了实现超透镜在焦点处的可控和后续实验中对粒子3d捕获的可控，sb2s3纳米方柱需要在非晶态下的偏振转换效率(pce)最小化，因此我们可以选择牺牲一点晶态下的pce。pce的定义如下(入射光为lcp)：
[0046][0047]
使用时域有限差分(finite-differencetime-domain，fdtd)方法对纳米方柱的l和w进行参数扫描，其中l和w的变化范围均为100nm-400nm，步长为10nm。仿真边界均设置为完美匹配层(perfectlymatchedlayer，pml)，最小网格单元设置为10nm。图5和图6为sb2s3纳米方柱分别在非晶态和晶态下的pce。最终我们选择纳米方柱的l为220nm，w为160nm。图7展示了l＝220nm，w＝160nm的纳米方柱的相位和pce随θ的变换。sb2s3纳米方柱在晶态和非晶态下都完全覆盖2π相位分布，且满足pce与θ基本无关，且sb2s3纳米方柱在晶态下的平均pce约为50％，非晶态下约为10％。
[0048]
图8展示超透镜在xz平面和xy(z＝3.3μm)平面的强度分布图，一共为4个状态。其中，当超透镜a和b两区域的sb2s3均处于在晶态下时，会形成两个焦点，如图8(a-b)所示。实际聚焦位置分别在(-4.9μm，0，3.3μm)和(4.9μm，0，3.3μm)，与原设计值相差不大。焦点处的半峰全宽(fullwidthathalfmaxima，fwhm)均为0.56μm。当超透镜只有a区域的sb2s3处于晶态下时，实际聚焦位置只有(-4.9μm，0，3.3μm)，fwhm为0.56μm，如图8(c-d)所示。当超透镜只有b区域的sb2s3处于晶态下时，实际聚焦位置只有(4.9μm，0，3.3μm)，fwhm为0.56μm，如图8(e-f)所示。当超透镜a和b区域的sb2s3均处于在非晶态下时，x方向上无焦点形成，如图8(g-h)所示。特别的是，超透镜的sb2s3处于晶态和非晶态下焦点处强度分布最大值的对比可以达到10，实现了双焦点的可控。
[0049]
光力计算：
[0050]
光力的数值计算是通过麦克斯韦应力张量(maxwellstresstensor，mst)在sio2粒子表面的虚拟闭合曲面s上进行积分求得，其中光力f计算公式如下：
[0051]
[0052]
其中为法向量，s为sio2粒子的表面积，t
ij
为mst。
[0053][0054]
其中，ε和μ是常数项分别为介电常数和磁导率，e和h为电场和磁场均通过fdtd方法得到。*代表共轭复数。i和j均可取x，y和z三个方向，δ
ij
为kroneckerdelta。因此t
ij
可以在x，y和z三个方向上展开：
[0055][0056]
光阱刚度k可以用来评估对粒子捕获的稳定性并通过以下公式计算：
[0057]
f＝-k(x-xo)
ꢀꢀꢀ
(8)
[0058]
其中，f为光力，这里我们取最大f计算，x为当f为最大值时粒子的位置，xo为平衡点位置。光力沿其捕获方向上的位移积分可以用势阱深度u来表示：
[0059][0060]
其中，f为光力，x为粒子位置。我们使用fdtd方法对基于光学相变和超透镜的双阱光镊进行仿真并验证其对粒子3d捕获的可控效果。捕获环境为空气(n＝1)，入射光功率保持在100mw。分别计算在超透镜的4种聚焦状态下，两个半径250nm的sio2粒子(直径因小于焦点的fwhm)在(-4.9μm，0，3.3μm)和(4.9μm，0，3.3μm)周围受到的横向光力f
x
和轴向光力fz，如图9所示。其中深色曲线图代表超透镜的sb2s3在非晶态下，sio2粒子受到的光力大小与x位移和z位移关系，浅色曲线图代表超透镜的sb2s3在晶态下，sio2粒子受到的光力大小与x位移和z位移的关系。
[0061]
当a和b两区域的sb2s3均处于晶态时，两个sio2粒子在不同焦点处的f
x
和fz分布如图9(a1)和(a2)状态1所示。a区域粒子受到的最大f
x
和k
x
约为0.77pn和25.7pnμm-1
w-1
，b区域粒子受到的最大f
x
和k
x
均约0.86pn和37.4pnμm-1
w-1
。此外，fz在z方向上的分布不对称，这是由于z方向上焦点强度分布不均匀导致的。两个粒子受到的最大和最小fz均分别约为0.60pn和0.22pn，kz均约为10.0pnμm-1
w-1
，因此可以实现两个sio2粒子在不同的焦点处稳定的3d捕获，并且平衡点分别在(-4.97μm，0，3.6μm)和(4.97μm，0，3.6μm)。当a区域的sb2s3处于晶态，b区域的sb2s3处于非晶态时，两个sio2粒子在不同焦点处的f
x
和fz分布如图9(b1)和(b2)状态2所示。a区域粒子的f
x
和fz与其状态1中基本一致，可以实现对粒子的3d捕获。而b区域的最大f
x
和k
x
约为0.08pn和4pnμm-1
w-1
，最大和最小fz约为0.08pn和0.01pn，kz约为0.69pnμm-1
w-1
，均约为其晶态下的1/10，并且其最小fz也远小于最大fz，并更接近0，因此粒子在z方向的捕获是不稳定的。这主要是因为，光强分布不均匀导致粒子所受的散射力远大于梯度力而引起的。当b区域的sb2s3处于晶态，a区域的sb2s3处于非晶态时，两个sio2粒子在不同焦点处的f
x
和fz分布如图9(c1)和(c2)状态3所示。b区域粒子的f
x
和fz与其状态1中基本保持一致，可以实现粒子稳定的3d捕获。而a区域的最大f
x
和k
x
约为0.06pn和2.0pnμm-1
w-1
，最大和最小的fz约为0.06pn和0.01pn，kz均约为0.69pnμm-1
w-1
，均约为其晶态下的1/10，同样其最小fz远远小于最大fz并更接近0，从而不能实现对sio2粒子的稳定的3d捕获。当a和b区域的sb2s3均处于非晶态时如图9(d1)和(d2)状态4所示，a和b两区域粒子受到的f
x
和最
大fz分别与其在状态3和2中保持一致，但是最小fz进一步减小至0.006pn，这可能是由于a和b区域的入射光均基本不能透过，焦点处光强减弱导致的，再加上z方向的光强分布不均匀，最终使得两个sio2粒子在z方向上完全不能被捕获。从四个状态可以看出，基于光学相变和超透镜的双阱光镊实现了对粒子的可控3d捕获。此外，a和b两个部分是独立的，并基本不互相影响，因此我们可以单独调节超透镜每个部分的sb2s3状态来灵活进行粒子的捕获。
[0062]
进一步计算超透镜a和b区域的sb2s3处于晶态下的势阱深度u，并与kbt进行归一化，其中kb为玻尔兹曼常数(1.38e-23j/k)，t为温度(300k)。
[0063]
图10显示了超透镜a和b区域在晶态下的u
x
和uz。
[0064]
图10(a-b)为超透镜a和b区域f
x
的势阱深度ux图，图10(c-d)为fz的势阱深度uz图。平衡点处为最大势阱深度，a和b区域的最大u
x
分别为68.3
×
kbt和96.4
×
kbt，uz均为123.0
×
kbt。其中，所有的势阱深度值都远远大于kbt，表明在用于双阱光镊的超透镜中，当a和b区域的sb2s3处于晶态下时，可以实现粒子的稳定3d捕获。
[0065]
实施例2
[0066]
为了进一步提高光镊系统的高效性，设计了基于光学相变材料sb2s3，且直径为30μm的超透镜，并用于可控多阱光镊，其设计思路与实现双阱光镊的基本相同，将超透镜分为9个区域，每个区域的相位分布公式如下：
[0067][0068]
其中，i代表超透镜9个区域，λ和f同样取值为1064nm和2.5μm。同样，当每个区域的sb2s3处于晶态时，形成焦点，当sb2s3处于非晶态时，则无焦点形成，如图11(a-b)所示，图中白点(或亮点)为焦点。并且超透镜的入射光为rcp，出射光为lcp。
[0069]
图11(a)显示了当超透镜中间区域的sb2s3处于非晶态，其余区域的sb2s3均处于晶态时的结构图。图12(c-d)则显示了其在xy(z＝3.3μm)平面和xz平面上的强度分布图。可以看出在xy平面上虚框里的焦斑强度明显小于周围的焦斑。在xz平面上，焦点的实际位置在z＝3.3μm，与设计位置相差不大，fwhm为0.62μm。特别地，晶态和非晶态下的焦点处强度分布的最大值的对比可以达到10，实现了焦点形成和消失的可控。图11(b)显示了所有区域的sb2s3均处于晶态下的结构图，相对应的xy(z＝3.3μm)和xz强度分布图如图12(e-f)所示。超透镜所有区域均形成焦点，并且fwhm相差不大，分别为0.56μm，0.64μm和0.56μm。
[0070]
图12(c)和图12(e)中虚线对应区域的sb2s3在晶态和非晶态下，半径为0.25μm的sio2粒子受到的f
x
和fz分别与x位移和z位移的关系。
[0071]
图13为sio2粒子受到的f
x
与x位移的关系。晶态下，sio2粒子受到的最大f
x
和k
x
为0.6pn和20pnμm-1
w-1
，而非晶态下的最大f
x
和k
x
为0.04pn和1.3pnμm-1
w-1
，仅约其晶态下的1/10，f
x
的稳定性较弱。
[0072]
图14为sio2粒子受到fz与z位移的关系。晶态下，sio2粒子受到的最大和最小fz分别为0.49pn和0.05pn，kz为3pnμm-1
w-1
，平衡点为(0，0，5.1μm)。非晶态下，sio2粒子受到的最大和最小fz分别为0.06pn和0.007pn，kz为0.3pnμm-1
w-1
，均约为晶态下的1/10，并且最小fz也约为最大fz的1/10，更接近0，因此粒子在z方向上完全不能被稳定捕获，这同样是因为光强分布不均匀，导致散射力远大于梯度力而引起的。因此超透镜的中间区域可以实现对粒子的可控3d捕获。
[0073]
图15(c-d)为中间区域的sb2s3处于晶态下f
x
和fz的势阱深度，u
x
和uz的最大势阱深度分别为64.2
×
kbt和153.9
×
kbt，证明可以实现粒子稳定的3d捕获。因此可以推广到超透镜的其他8个区域，实现同时对多个粒子的可控3d捕获。
[0074]
基于上述用于多阱光镊对粒子的可控3d捕获的理论与仿真分析，我们可以实现同时操纵和捕获多个sio2粒子并摆放成任意的形状。图16(a-b)和(g-i)为xy(z＝3.3m)平面强度分布图，图16(d-f)和(j-l)为对应的xz平面强度分布图。其中，超透镜中的每一区域都可以控制sb2s3晶态和非晶态的转换，并实现对粒子的可控3d捕获。因此可以仅通过使用同一个超透镜便可实现多种方式的粒子捕获并形成多种形状的捕获图案，进一步提高了光镊的高效性。
[0075]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本技术的保护范围限于这些例子；在本技术的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本技术中一个或多个实施例的不同方面的许多其他变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0076]
本技术中一个或多个实施例旨在涵盖落入本技术的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本技术中一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。