本文關鍵詞：硅基近場光鑷的光學微操控研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：現(xiàn)代醫(yī)學及生物學研究已經(jīng)深入到對單個納米級別生物分子的操控。這對傳統(tǒng)的操控技術如微流控技術提出了很大的挑戰(zhàn),于是納流控技術應運而生。其中,光鑷技術因具有非接觸、精度高和操控方便等優(yōu)勢成為了納流控技術中的理想驅(qū)動力。然而這種傳統(tǒng)的光鑷技術受到了衍射極限的限制,無法操控尺寸小于100納米的顆粒。得益于近幾年納米加工技術的迅猛發(fā)展,人類已經(jīng)能夠制作出極其精細的微結構,并提出了近場光鑷技術成功突破了衍射極限。而硅基平臺因易于集成和技術成熟等優(yōu)勢成為了實現(xiàn)近場光鑷技術的最佳平臺之一。硅基近場光鑷技術主要包括基于倏逝場的光鑷技術和基于表面等離子體的光鑷技術。利用不同的硅基波導結構可以實現(xiàn)對為微粒的不同操控功能,包括捕獲、運輸、分選、存儲和傳感等。本文提出了多種新穎的原理和結構實現(xiàn)了多種光學微操控,包括能夠?qū)崿F(xiàn)納米顆粒的捕獲和傳輸?shù)墓鈱W傳送帶、能夠控制顆粒支路選擇的導向系統(tǒng)和能夠?qū)崿F(xiàn)不同顆粒大小自動篩選的光學分選器,為片上硅基光鑷系統(tǒng)的高度集成化提供了強有力的支持。本論文主要分為三部分：1、提出了一種波導激勵型光學傳送帶,實現(xiàn)了納米顆粒在納米量級的精確捕獲和傳輸。因為倏逝場尺寸處于百納米量級,傳統(tǒng)的波導型光鑷只能捕獲和操控百納米級別的顆粒。要實現(xiàn)尺寸小于100納米的顆粒捕獲就必須提高光場梯度力,而等離子型近場光鑷為該難題提供了一種有效的解決手段。比如一對以一定間隔擺放的金屬棒就能實現(xiàn)有效地激勵起局域光場,可以提供增強幾十倍的光場梯度力,從而實現(xiàn)顆粒的捕獲。這種結構還具有尺寸相關的波長選擇特性,因此可以通過波長選擇激勵區(qū)域。將不同尺寸的金屬顆粒對交替排列在波導上方,并不斷切換輸入的波長就可以實現(xiàn)熱區(qū)以流水燈方式的移動。利用光鑷技術,通過光場和顆粒移動的映射關系,最終可以實現(xiàn)顆粒在波導上前向或者后向的蠕動。每切換一次波長,顆粒步進一格。相比于利用散射力推動的方式,該方法可以精確控制顆粒的位移。該設計提供了一種新型的方式首次實現(xiàn)了在硅基波導平臺上對納米顆粒的捕獲和可控傳輸。2、提出了一種通過切換輸入光的偏振方向?qū)崿F(xiàn)顆粒不同路徑導向的裝置。邏輯操控是光學微操控領域最為關鍵的功能之一,也是實現(xiàn)大規(guī)模復雜操控的最基本功能單元之一。但目前的顆粒導向器件絕大部分都是基于波長調(diào)控的,但這需要多波長的光源來實現(xiàn),而且硅基結構尺寸較大。本文提出了一種基于偏振的顆粒導向系統(tǒng)。因狹縫波導具有很強的偏振敏感特性,通過參數(shù)優(yōu)化,可以實現(xiàn)狹縫波導和納米線波導之間的偏振選擇性耦合,從而可以利用這兩種波導結構實現(xiàn)簡單的偏振分束器。當不同偏振的光輸入到波導結構中時光會從不同的輸出口輸出。因此,在近場光鑷的作用下,通過操控輸入光的偏振態(tài),可以實現(xiàn)顆粒導向。3、提出了一種利用不同尺寸顆粒對同一光場具有特異性響應的特性而實現(xiàn)的顆粒分選系統(tǒng)。顆粒分選是片上系統(tǒng)中關鍵的技術之一,能夠?qū)崿F(xiàn)不同種類或不同尺寸顆粒之間的自動分離,相比于傳統(tǒng)的利用高性能相機觀測后再主動揀選的方式具有非常大的優(yōu)勢。本文設計的結構由兩根寬度不一致的波導組成,寬波導具有較大的光場包絡,而窄波導具有較小的光場包絡。當尺寸不同的顆粒處在這樣的光場中時,大顆粒能夠響應寬波導的光場給予的光力并忽略光場在相對于顆粒尺寸來說較小范圍內(nèi)的梯度力,而小顆粒因尺寸限制無法感知大包絡的變化。因此尺寸相異的顆粒會對同一光場產(chǎn)生完全不同的響應,最終從不同出口輸出。總之,本文利用了金屬顆粒對的波長選擇特性實現(xiàn)了顆粒的傳輸、利用狹縫波導的偏振選擇特性實現(xiàn)了顆粒的導向以及利用不同尺寸顆粒對相同光場的不同響應實現(xiàn)了顆粒的分選。這些結構拓展了光流集成領域的操控方法和功能,具有較大實際的研究意義。
【關鍵詞】：硅基波導 光鑷 微操控 顆粒捕獲 偏振選擇 顆粒分選
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN25
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-29
• 1.1 研究背景13-14
• 1.2 光鑷的基本原理14-20
• 1.2.1 梯度力和散射力15-18
• 1.2.2 傳統(tǒng)光鑷的局限性18-20
• 1.3 近場光鑷的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢20-24
• 1.3.1 平面波導器件21-23
• 1.3.2 光學諧振器23-24
• 1.3.3 等離子體24
• 1.4 研究意義24-26
• 1.5 本論文主要內(nèi)容26-29
• 第二章 近場光鑷的分析方法和硅基加工工藝29-39
• 2.1 電磁場的數(shù)值仿真方法29-32
• 2.1.1 時域差分法30
• 2.1.2 有限元法30-31
• 2.1.3 矩量法31-32
• 2.2 光學力的計算方法32-33
• 2.3 硅基制造工藝33-36
• 2.3.1 光刻33-34
• 2.3.2 剝離34
• 2.3.3 電子束曝光34-35
• 2.3.4 干法刻蝕35-36
• 2.4 硅基近場光鑷的封裝方式36-39
• 第三章 基于等離子納米棒的硅基光學傳送帶設計39-47
• 3.1 引言39-40
• 3.2 基于等離子納米棒的硅基光學傳送帶設計40-42
• 3.3 硅基光學傳送帶的性能分析42-44
• 3.4 總結44-47
• 第四章 基于偏振控制的顆粒導向系統(tǒng)設計47-57
• 4.1 引言47-48
• 4.2 波導模式耦合理論48-50
• 4.3 非對稱定向耦合器設計50-54
• 4.4 顆粒導向系統(tǒng)的性能分析54-56
• 4.5 總結56-57
• 第五章 基于硅基近場光鑷的顆粒分選設計57-67
• 5.1 引言57
• 5.2 顆粒分選系統(tǒng)中的光場設計57-59
• 5.3 基于硅基近場光鑷的顆粒分選系統(tǒng)設計59-62
• 5.4 顆粒分選系統(tǒng)的性能分析62-63
• 5.5 顆粒分選系統(tǒng)設計63-64
• 5.6 總結64-67
• 第六章 總結與展望67-71
• 6.1 總結67-68
• 6.2 本論文的創(chuàng)新點68
• 6.3 展望68-71
• 參考文獻71-77
• 碩士期間發(fā)表文章77-81
• 致謝81-83

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