【摘要】：在生命科學(xué)的許多領(lǐng)域,如單分子生物物理學(xué)、癌癥檢測(cè)及藥物開發(fā)等,對(duì)生物分子的操控、傳感、捕獲是非常重要的技術(shù)手段。由于受到衍射極限的影響,傳統(tǒng)光學(xué)捕獲手段很難捕獲納米尺寸的物體,為解決這一問題,研究者們提出了各種不同的技術(shù)手段。其中將等離子光學(xué)應(yīng)用到光學(xué)捕獲中具有格外重要的意義,這種方法穩(wěn)定性高、效率高、反應(yīng)時(shí)間短,并且對(duì)被捕獲物體無侵入性。然而,由于等離子納米結(jié)構(gòu)熱效應(yīng)產(chǎn)生的吸收損耗,如何在低功率入射的情況下保證穩(wěn)定光學(xué)捕獲成為亟待解決的問題。本文在應(yīng)用等離子納米結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新性地通過超表面的不對(duì)稱性引入法諾共振,產(chǎn)生的高階模共振導(dǎo)致了增強(qiáng)的近場(chǎng)光力,非對(duì)稱結(jié)構(gòu)比對(duì)稱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光力增強(qiáng)了23倍,在低入射功率的條件下實(shí)現(xiàn)了次波長(zhǎng)納米尺寸粒子的單勢(shì)阱捕獲。本文基于巴比涅原理設(shè)計(jì)了對(duì)稱、非對(duì)稱開口環(huán)空腔,通過有限時(shí)域差分法進(jìn)行仿真,在線偏振光垂直照射下,結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性導(dǎo)致了法諾共振效應(yīng)的產(chǎn)生,從反射譜可以看出對(duì)稱結(jié)構(gòu)的共振模式P_1分裂形成非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的兩種四階模式P_2和P_3,導(dǎo)致了品質(zhì)因數(shù)Q的增大,兩種模式均為結(jié)合模式的磁共振,同時(shí)還在空腔開口環(huán)內(nèi)引發(fā)了分裂的局域電磁場(chǎng)增強(qiáng)。應(yīng)用麥克斯韋張量法分析光力,通過積分發(fā)現(xiàn)當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)置于水環(huán)境中時(shí),聚苯乙烯粒子在非對(duì)稱開口環(huán)結(jié)構(gòu)表面受到增強(qiáng)的光力作用。在巴比涅非對(duì)稱開口環(huán)表面,入射光波長(zhǎng)為2020nm時(shí),最小28.7 mW/μm~2的入射功率可以實(shí)現(xiàn)對(duì)半徑20nm聚苯乙烯粒子的穩(wěn)定光學(xué)捕獲,勢(shì)阱位于上半環(huán)空腔處,在垂直方向上光力始終指向結(jié)構(gòu)表面。對(duì)于不同尺寸的粒子來說,粒子半徑越大,距離結(jié)構(gòu)表面越近,所受到的光力越大。本文設(shè)計(jì)的巴比涅非對(duì)稱開口環(huán)加工工藝簡(jiǎn)單,工作在近紅外波段,創(chuàng)新性地利用超表面產(chǎn)生的法諾共振增強(qiáng)近場(chǎng)納米粒子受到的光力,且入射光功率低,可以在生物領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用于操控、捕獲納米尺寸粒子。同時(shí),光學(xué)捕獲的位置可以通過改變結(jié)構(gòu)尺寸或光源入射波長(zhǎng)來調(diào)節(jié),而且這種法諾共振增強(qiáng)的光力對(duì)波長(zhǎng)、粒子尺寸敏感,因此,巴比涅非對(duì)稱開口環(huán)空腔還可以用來篩選分類不同尺寸的粒子。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：R318

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