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(duì)單粒子熒光的收集效率。通過(guò)優(yōu)化探針幾何尺寸可得,單粒子為徑向偏振時(shí)探針對(duì)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(duì)單個(gè)粒子熒光的收集效率和工作距離對(duì)于粒子發(fā)射光的波長(zhǎng)不敏感,故此探針可以用于對(duì)具有不同波長(zhǎng)的各類粒子和寬譜發(fā)光粒子的高效率探測(cè)。此探針直徑為微米量級(jí),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(diǎn)、金剛石色心等粒子的高效率探測(cè),并有望進(jìn)一步用于化學(xué)、生物微小發(fā)光體等的探測(cè)。 

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

【文章頁(yè)數(shù)】：6 頁(yè)

【部分圖文】：

高效率探測(cè)單個(gè)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(shí)驗(yàn)室用到的銫原子的探測(cè)結(jié)果,其發(fā)光波長(zhǎng)為852 nm。為了研究和擴(kuò)展此探針對(duì)不同發(fā)光波長(zhǎng)的粒子探測(cè)的能力,研究了此探針對(duì)不同波長(zhǎng)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(diǎn)表示平均收集效率,而空心方點(diǎn)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(zhǎng)選取650,750,852,950,1064 nm。由圖4可知,探針對(duì)不同波長(zhǎng)單粒子熒光的收集效率受波長(zhǎng)的影響很小,各波長(zhǎng)收集效率的平均值為(23.1±1)%,而最大收集效率為24.2%,對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)852 nm,最小收集效率為21.9%,對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)1064 nm。與此同時(shí),工作距離隨波長(zhǎng)的變化也很小。工作距離最大為0.95 μm(對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)750 nm和1064 nm),工作距離最小為0.85 μm(對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)650,852,950 nm)。最大和最小工作距離相差只有100 nm。由此可見(jiàn),此探針用于不同發(fā)光波長(zhǎng)粒子的探測(cè)時(shí),均可以得到較高的收集效率。而且,工作距離隨波長(zhǎng)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(cè),如常溫下的量子點(diǎn)、金剛石色心等。

位于探針的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸上的單個(gè)發(fā)光粒子相對(duì)于探針存在兩個(gè)獨(dú)立的偏振,單個(gè)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(duì)單粒子熒光的收集效率隨單個(gè)粒子位置變化的曲線。因?yàn)榭招牟▽?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(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)粒子的俘獲和探測(cè),所以本文也選取了相同的內(nèi)外直徑比例參數(shù)對(duì)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(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)中的銫原子熒光進(jìn)行探測(cè),因此選取了對(duì)應(yīng)于銫原子D2線的852 nm為單個(gè)發(fā)光粒子的波長(zhǎng)。圖中點(diǎn)線和實(shí)線分別為單個(gè)粒子軸向偏振和徑向偏振時(shí)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(gè)粒子位于距離探針端面0.55 μm和0.85 μm時(shí)處,探針對(duì)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(shí)(x?0 μm),收集效率逐漸降低為0;當(dāng)將單個(gè)粒子置于探針內(nèi)部時(shí)(x<0 μm),收集效率降低并且出現(xiàn)振蕩,主要原因是單個(gè)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(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,單個(gè)發(fā)光粒子,例如偶極阱俘獲的單個(gè)原子,其發(fā)射光子的偏振在x、y、z軸三個(gè)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(gè)方向的收集效率后,單個(gè)粒子發(fā)光耦合進(jìn)入探針的平均效率隨單個(gè)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(gè)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(gè)粒子發(fā)光波長(zhǎng)為852 nm,模擬結(jié)果如圖3(a)所示。圖中實(shí)心圓點(diǎn)表示單個(gè)粒子偏振為徑向偏振時(shí)探針對(duì)單粒子熒光的收集效率,實(shí)心方點(diǎn)表示軸向偏振時(shí)的收集效率,實(shí)心三角點(diǎn)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(shí),探針對(duì)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(shí),探針對(duì)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(gè)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(shí)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(diǎn)表示單個(gè)粒子偏振為徑向偏振時(shí)探針的工作距離,空心方點(diǎn)表示軸向偏振時(shí)的工作距離,空心三角點(diǎn)表示x、y、z三個(gè)方向偏振的平均情況。在獲得最大收集效率時(shí)(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(guò)上述探針外直徑的優(yōu)化過(guò)程可知,在外直徑為3.0 μm時(shí)可獲得最大的收集效率。接下來(lái),保持探針外直徑為3.0 μm不變,通過(guò)調(diào)整探針內(nèi)直徑的尺寸來(lái)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(shí),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(shí),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(cè)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(duì)探針的空間控制精度提出了更高的要求。因此在具體實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中,可以根據(jù)待測(cè)粒子性質(zhì)、控制精度的具體實(shí)驗(yàn)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
[1]微納光纖及其鎖模激光應(yīng)用[J]. 王利鎮(zhèn),李林軍,童利民.  光學(xué)學(xué)報(bào). 2019(01)
[2]基于整形飛秒激光脈沖的三維微納制備[J]. 喬玲玲,儲(chǔ)蔚,王哲,程亞.  光學(xué)學(xué)報(bào). 2019(01)
[3]用于單原子操控的微尺度藍(lán)移阱的三維構(gòu)建與測(cè)量[J]. 王建龍,李剛,田亞莉,張?zhí)觳?  量子光學(xué)學(xué)報(bào). 2015(01)



本文編號(hào)：3426514