用于在体捕获红细胞的表面等离子体超透镜光镊系统的研究

Trapping red blood cells in vivo at a deep position underneath the skin non-invasively is of great importance for biomedical science. However, due to the strong scattering of the light in the tissue and aberrations of the optical system, the gradient force generated from the focused beam is not large enough to trap a blood cell at a deep position. In order to improve the quality of the focused beam, various optical designs are employed to compensate the aberrations of the objective. Therefore the stability of the trapping and the trapping depth in the tissue are limited if the aberration of the system is not optimized well. We propose an optical tweezer system based on a super-lens, which is composed of plasmonic antenna arrays. The super-lens has the ability of eliminating the spherical aberrations at the wavelengths of 1064nm and 900nm. The focused optical beam through the super-lens can increase the trapping depth of the blood cell in vivo, and in the mean while improve the trapping efficiency which leads to a lower input laser power. A novel design of plasmonic super-lens constitutes two antenna arrays resonant at the two above wavelengths correspondingly, which can focus dual beams to neighboring positions at the focal plane. And the dual-beam optical tweezer system is utilized to measure the deformation index of blood cells in vivo.

光镊技术在活体里对较深组织的红细胞进行无创伤性的捕获具有重要的意义。然而由于聚焦光斑在组织里的散射和光镊系统自身的像差，使得聚焦光斑在较深的组织无法提供足够的梯度力，对红细胞进行捕获有难度。目前大多数改进系统焦斑质量的方法是通过光镊系统其他部件的像差补偿显微物镜的像差。光镊系统里像差补偿得不好会直接限制捕获细胞的稳定性和组织里的捕获深度。本课题提出基于表面等离子体天线阵列的超透镜，拟设计出的超透镜能在1064和900纳米的入射光消掉球差。经过以上超透镜聚焦形成的光斑能在活体里深度捕获红细胞，提高捕获效率并且降低捕获激光功率。该表面等离子体超透镜由两组分别在两个波长共振的天线阵列组成，可将两个波长的光聚焦到邻近的位置，产生的双光束光镊在活体的血流环境下用以测量获得红细胞的变形指数。

光镊技术在活体里对较深组织细胞进行无创伤性的捕获具有重要的意义。然而传统光学系统对光场的调控能力使得聚焦光斑在较深的组织无法提供足够的梯度力，对细胞进行捕获有难度。提高光镊在活体组织里的捕获深度，增大光镊在活体里的操控范围的前提是对光束进行特殊的调控。我们探索性的研究了（1）如何用超构表面产生长的无衍射距离（深的捕获深度）、小光斑尺寸（高的捕获效率）、工作距离可调的艾里光束；及对入射光束的偏振不敏感的艾里光束。为艾里光束在光镊、生物医学成像、光存储等领域的应用化及器件小型化方面迈出了重要的一步。（2）不同于以往基于集成谐振单元的消色差设计，创新性的提出一种基于单个天线单元的结构简单的近红外消色差超构表面。并在1 ~ 1.2 μm的波长范围内，设计了数值孔径为0. 3的消色差超构透镜。（3）使用介电超构表面生成高度聚焦的非衍射类贝塞尔自加速光束，在550 ~ 710nm的宽带光谱范围内具有预定义的任意轨迹。特别是，利用超构表面产生超高数值孔径为0.79的类贝塞尔涡旋光束，从而使亚波长光束宽度降至衍射极限的尺度即234nm（~ 0.43λ）。此外，超构表面产生了各种具有不同预定义轨迹和特征光束参数的自加速类贝塞尔光束和光束阵列，而传统的空间光调制器是无法实现的。本研究促进了类贝塞尔光束的多样性，用于光镊、光存储、生物医学成像和材料加工等领域的实际应用。