集成于微流控的亚波长微光学光镊阵列

研究集成于微流控中的亚波长微光学光镊阵列，开拓Lab-on-a-chip对纳米尺寸微粒如染色体或DNA进行各类性能进行平行分析的能力，大幅度加速生物芯片信息处理量。深入研究应用微光学元件合成亚波长准贝赛尔光束，以及纳米粒子与光场相互作用这一全新课题。使用软光刻技术在微流控流道上集成微棱锥透镜和二元相位片的微光学组合阵列，生成长焦深亚波长光束光镊阵列，用于束缚及操控阵列中纳米微粒组,构建用于纳米尺度微生物或微纳现象研究的空间阵列。在微流道中将应用双贝塞尔光束夹持微粒，并使用双光束干涉的相位控制实现微粒横向移动控制，同时通过移动亚波长光镊可进行阵列中各光镊之间的个别微粒移动，实现纳米微粒如DNA的光学拼接或修正。三维微操控还将研究光纤光弹性效应旋转LP21模式，实施光镊夹持微粒的空间转动，在微流控环境中以全光纤系统获得对纳米微粒组的空间定位和微操控。

本项目研究了集成于亚波长聚焦的纳米粒子捕获和操控技术，应用微光学元件合成亚波长准贝赛尔光束，研究纳米粒子与光场相互作用这一全新课题。项目首先探索了光纤微棱锥透镜的制备方法，成功制作出高精度的微棱锥端光纤，获得高质量的准贝塞尔聚焦光束。使用该微棱锥端光纤，应用激光直写和软光刻技术进行了微光加工复制研究，实现了批量复制出微棱锥透镜，并利用其在光纤端面的锥形透镜提高了激光二极管的耦合效率。在项目的核心技术细胞操控方面，微棱锥光纤聚焦后的LP21模光斑，以其特殊的4叶（four-lobed）低模数相干光束聚焦后，进行了捕获酵母菌并对其操控的实验，成功实现了对酵母菌进行移动、旋转等复杂的操控操作。进一步，按项目计划，我们研制成功了集成于光纤的高效率双棱锥亚波长透镜，获得了聚焦半高宽0.41λ，且聚焦通光效率高达40%的亚波长光纤聚焦透镜，此亚波长透镜的出色结果在高影响因子国际期刊Nanoscale（IF 7.39）获得发表。同时，研究中准贝塞尔光束获得更进一步的压缩，在理论和实验都得到了验证。对纳米粒子捕获，单棱锥光纤已经成功捕获到900纳米的粒子，为下一步工作中双棱锥亚波长聚焦透镜捕获更小的纳米粒子打下了非常好的基础。