提出一種用于高效率收集單粒子熒光的錐形空心波導(dǎo)探針。在理論上采用數(shù)值模擬得到了錐形空心波導(dǎo)探針對單粒子熒光的收集效率。通過優(yōu)化探針幾何尺寸可得,單粒子為徑向偏振時探針對單粒子熒光的收集效率最高為25.3%,普遍高于利用高數(shù)值孔徑透鏡的傳統(tǒng)方法。綜合發(fā)光粒子不同方向的偏振后可知,探針的平均收集效率可達(dá)21.7%,最優(yōu)工作距離為0.75μm。此外,探針對單個粒子熒光的收集效率和工作距離對于粒子發(fā)射光的波長不敏感,故此探針可以用于對具有不同波長的各類粒子和寬譜發(fā)光粒子的高效率探測。此探針直徑為微米量級,易于與其他微納結(jié)構(gòu)結(jié)合。此探針可用于單原子、單分子、量子點、金剛石色心等粒子的高效率探測,并有望進(jìn)一步用于化學(xué)、生物微小發(fā)光體等的探測。 

【文章來源】：光學(xué)學(xué)報. 2020,40(03)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

高效率探測單個粒子的錐形空心波導(dǎo)探針結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 收集效率和工作距離與探針幾何尺寸的關(guān)系。圖2和圖3中顯示的主要是實驗室用到的銫原子的探測結(jié)果,其發(fā)光波長為852 nm。為了研究和擴(kuò)展此探針對不同發(fā)光波長的粒子探測的能力,研究了此探針對不同波長的單粒子熒光的收集效率和工作距離,具體結(jié)果如圖4所示。圖中空心三角點表示平均收集效率,而空心方點表示工作距離。探針內(nèi)外直徑的比例為3\:8,探針外直徑為3.0 μm;發(fā)光粒子的波長選取650,750,852,950,1064 nm。由圖4可知,探針對不同波長單粒子熒光的收集效率受波長的影響很小,各波長收集效率的平均值為(23.1±1)%,而最大收集效率為24.2%,對應(yīng)波長852 nm,最小收集效率為21.9%,對應(yīng)波長1064 nm。與此同時,工作距離隨波長的變化也很小。工作距離最大為0.95 μm(對應(yīng)波長750 nm和1064 nm),工作距離最小為0.85 μm(對應(yīng)波長650,852,950 nm)。最大和最小工作距離相差只有100 nm。由此可見,此探針用于不同發(fā)光波長粒子的探測時,均可以得到較高的收集效率。而且,工作距離隨波長變化很小,所以此探針可以應(yīng)用于具有大范圍發(fā)光光譜的粒子的探測,如常溫下的量子點、金剛石色心等。

位于探針的旋轉(zhuǎn)對稱軸上的單個發(fā)光粒子相對于探針存在兩個獨立的偏振,單個粒子偏振如圖2中插圖所示,分別為沿著探針軸向和徑向的偏振(axial polarization and radial polarization)。圖2所示為兩種不同偏振情況下探針對單粒子熒光的收集效率隨單個粒子位置變化的曲線。因為空心波導(dǎo)在探針軸向上產(chǎn)生了微小尺度的偶極力阱,且獲得最優(yōu)阱深的探針的內(nèi)外直徑比值為3:8[36],這樣的探針有望同時實現(xiàn)對單個粒子的俘獲和探測,所以本文也選取了相同的內(nèi)外直徑比例參數(shù)對收集效率進(jìn)行模擬。探針外直徑為3.0 μm,內(nèi)直徑為1.125 μm。此探針主要針對后續(xù)實驗中的銫原子熒光進(jìn)行探測,因此選取了對應(yīng)于銫原子D2線的852 nm為單個發(fā)光粒子的波長。圖中點線和實線分別為單個粒子軸向偏振和徑向偏振時收集效率的情況。x=0 μm為探針端面所在位置。由圖2可知:當(dāng)單個粒子位于距離探針端面0.55 μm和0.85 μm時處,探針對單粒子熒光的收集效率分別達(dá)到16.1%(軸向偏振)和25.3%(徑向偏振);當(dāng)原子逐漸遠(yuǎn)離探針時(x?0 μm),收集效率逐漸降低為0;當(dāng)將單個粒子置于探針內(nèi)部時(x<0 μm),收集效率降低并且出現(xiàn)振蕩,主要原因是單個粒子在空心波導(dǎo)內(nèi)部發(fā)光并由內(nèi)壁反射,形成了干涉現(xiàn)象。在實際的實驗過程中,單個發(fā)光粒子,例如偶極阱俘獲的單個原子,其發(fā)射光子的偏振在x、y、z軸三個方向的分量是隨機(jī)的。所以,在綜合發(fā)光粒子沿x、y、z軸三個方向的收集效率后,單個粒子發(fā)光耦合進(jìn)入探針的平均效率隨單個粒子在x軸位置變化的曲線可由圖2中的虛線表示。由圖2可以看出,發(fā)光粒子最大收集效率的平均值為21.7%,探針的最優(yōu)工作距離為0.75 μm。單個粒子發(fā)出的光子耦合進(jìn)入探針的效率與空心波導(dǎo)探針的尺寸有著直接的關(guān)系,因此本文進(jìn)一步研究了收集效率和工作距離與探針幾何參數(shù)的關(guān)系,從而優(yōu)化探針參數(shù)并獲得更高的收集效率�？招牟▽�(dǎo)探針的幾何參數(shù)包括內(nèi)直徑、外直徑。仍然保持內(nèi)外直徑的比例為3\:8,改變探針的外直徑,外直徑的變化范圍為1.0～5.0 μm,根據(jù)固定比例可知內(nèi)直徑變化范圍為0.375～1.875 μm。單個粒子發(fā)光波長為852 nm,模擬結(jié)果如圖3(a)所示。圖中實心圓點表示單個粒子偏振為徑向偏振時探針對單粒子熒光的收集效率,實心方點表示軸向偏振時的收集效率,實心三角點表示平均收集效率。由圖3(a)可知:當(dāng)探針內(nèi)外直徑比例不變時,探針對單粒子熒光的收集效率隨著探針外直徑的增大而先增大再減小;在探針外直徑為3.0 μm時,探針對徑向偏振單粒子熒光的收集效率達(dá)到最大,為25.3%。由于在x、y、z三個方向的收集效率中徑向偏振起主導(dǎo)作用,因此平均收集效率也在外直徑為3.0 μm時達(dá)到最大,為21.7%。另外,由圖3(a)可知,探針的工作距離隨著外直徑的增大而單調(diào)增大,圖中空心圓點表示單個粒子偏振為徑向偏振時探針的工作距離,空心方點表示軸向偏振時的工作距離,空心三角點表示x、y、z三個方向偏振的平均情況。在獲得最大收集效率時(外直徑為3.0 μm),探針的工作距離為0.85 μm(徑向偏振)和0.75 μm(平均偏振)。通過上述探針外直徑的優(yōu)化過程可知,在外直徑為3.0 μm時可獲得最大的收集效率。接下來,保持探針外直徑為3.0 μm不變,通過調(diào)整探針內(nèi)直徑的尺寸來獲得收集效率和工作距離,相應(yīng)的結(jié)果如圖3(b)所示。由圖3(b)可知:當(dāng)探針外直徑不變時,收集效率隨著內(nèi)直徑的減小而單調(diào)增大,探針的工作距離隨內(nèi)直徑的減小而減小;當(dāng)內(nèi)直徑為0.4 μm時,徑向偏振收集效率可達(dá)到37.5%,但是其工作距離減小至0.4 μm。工作距離太小使得待測粒子極易受到探針表面靜電力和范德瓦耳斯力的影響,并且對探針的空間控制精度提出了更高的要求。因此在具體實驗操作過程中,可以根據(jù)待測粒子性質(zhì)、控制精度的具體實驗條件選擇合適內(nèi)直徑的探針,以獲得盡可能高的收集效率。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號：3426514