基于光微流环形谐振腔的纳米生物光镊技术研究

The optical ring resonators based on whispering gallery modes （WGMs）are one of the most promising optical near-field devices, which can realize the optical manipulation for nanoscale biomolecules. However, the current optical ring resonator structures can not realize the localzitional manipulation of common optical tweezers due to their limitation in "non-localization" of the WGM field.This proposal is based on our own findings and works on WGM microcavities. We will investigate novel sturctures of the optofluidic ring resonator tweezer, which break the bottle neck of the non-localized manipulation in the current ring resonators. The novel structres will combine the advantages of microfluidic channels and high-Q ring resonators and realize the low-power-consuming and localized manipulation of the nanoparticles, which are smaller than 100 nm. We will study on the theoretical model for the generation of the WGM standing wave, which can realize the localized manipulation. We will also study how to design and fabricate the on-chip and microbubble-based tweezers and their properties in manipulating dielectric nanoparticles,virus, and proteins systematically. The output of the research will solve the problem in the localized manipulation of nanoscale biomolecules for the optical ring resonator and provide a new route for the optical near-field manipulation techniques.

基于回音壁模式的光学环形谐振腔是有望实现对纳米尺度生物分子进行光学操纵的近场光学器件之一。然而，现有的环形谐振腔构型由于其光场非定域性的局限而无法实现光镊技术必备的定域操纵功能。本项目基于申请人过去几年在回音壁模式微腔研究成果的基础上，提出光微流环形谐振腔光镊构型，突破现有构型的非定域性操纵这一技术瓶颈，并结合微流和高品质因子光学微腔的优点，实现低功耗、100 纳米尺度之内的生物分子光镊技术。本项目将研究可以实现定域操纵的回音壁模式驻波光场模型，研究芯片式和微泡式这两种环形谐振腔光镊的设计和制备工艺，并系统地研究环形谐振腔光镊对介质颗粒、病毒以及蛋白质分子的操纵性能。本项申请的研究结果有望解决纳米量级生物分子定域操纵的难题，为光学近场操纵提供一种新的思路和技术。

基于回音壁模式的光学环形谐振腔是有望实现对纳米尺度生物分子进行光学操纵的近场光学器件之一。然而，现有的环形谐振腔构型由于其光场非定域性的局限而无法实现光镊技术必备的定域操纵功能。.本项目突破现有构型的非定域性操纵这一技术瓶颈，取得以下研究成果：.提出了基于微泡式WGM微腔的光学操控方案。微泡腔中空结构形成的微流通道可以为光学操控提供极佳的平台；对于薄壁微泡腔，高阶径向回音壁模式的大部分模场可以渗透到泡内区域，光场可以与在该区域内的颗粒发生直接相互作用，从而提高了光场的利用率；在考虑颗粒诱导的共振失谐效应对光场力的影响的前提下，分析了颗粒在光场中受到的光场力随着颗粒在光场中移动时的变化关系和颗粒在微泡腔内的受力情况，为微泡腔内光学操控的实现提供了指导。.首次提出通过在腔内形成驻波场来实现“定域化”光学操控的方案。两束同一频率的相干光以相反的方向耦合进微腔并且在腔内相互干涉从而形成驻波场，则颗粒会被束缚在驻波场的某个波峰位置；并且通过改变入射光的相位和波长可以控制被束缚颗粒在腔内的位置，并可实现位置可控的“定域化”操控。.在以上工作的基础上，首次提出了微腔内非共振模式-光子纳米喷射(Photonics nanojets, 简称PNJ)的“定域化”操控方案。PNJ具有小于衍射极限的横向束腰半径以及较为狭长的轴向光场分布，因此它可以提供较高的光梯度力以及腔外长距离的操控平台，并且在较宽的波长范围内都会保证模场的形状不变，颗粒的引入不会对光场造成比较大的影响。引入两束相同但是传播方向相反的PNJ，从而形成驻波型PNJ来实现“定域化”操控；同时采用双层微腔结构可以产生加长型的PNJ来延长对颗粒的可操控平台，通过控制入射光相位实现对颗粒的输运功能。.本项目的研究结合微流和高品质因子光学微腔的优点， 可以实现100 纳米以下的生物分子光镊技术,解决环形微腔对纳米量级生物分子的定域操纵难题，为光学近场操纵技术提供新的思路和技术路线。