动态全光控表面等离子体新型光镊基础研究

In order to solve the problems in recent research on optical tweezers technology, such as weak evanescent field in near-filed optical tweezers and the difficulty in trapping metallic particles, we plan to do the basic research on dynamic all-optical controlled Surface Plasmon (SP) novel optical tweezers. The SP can be used to enhance the trapping force in optical tweezers and reduce the requirement for the light source intensity. We also use the vector beams to achieve all-optical and dynamic manipulation on SP optical tweezers. This project includes: (1) studying the interaction between SP and metallic particles, and its effect on electromagnetic filed enhancement and the trapping result, building corresponding theoretical model; (2) studying the effect of properties of vector beams such as polarization states on the distribution of SP filed and the force in optical tweezers, building all-optical and dynamic manipulation methods; (3) studying the effect of properties of particles and Brownian movement on the trapping in SP optical tweezers, developing trapping and manipulation technology for the particles smaller than 100 nanometers; (4) studying the applications of SP optical tweezers in Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) and detection for normal cells and cancerous cells. The studies in this project have great importance not only in the development of optical tweezers technology itself, but also in many applications such as SERS and medical technologies for clinical detection and diagnosis.

针对目前光镊技术研究中存在的近场光镊倏逝场偏弱、金属颗粒难以捕获等问题，开展动态全光控表面等离子体（SP）新型光镊基础研究。利用SP增强光镊捕获力，降低对光源强度的要求，并通过矢量光束实现对SP光镊的全光、动态操控。研究内容包括：（1）研究SP与金属颗粒的耦合作用对电磁场增强和光镊捕获的影响，建立相关理论模型；（2）研究矢量光束的偏振等特性对SP场分布和光镊力的作用，建立全光、动态的操控方法；（3）研究颗粒特性和布朗运动对SP光镊操控效果的影响，发展对100纳米以内尺寸颗粒的捕获和操控技术；（4）开展SP光镊在表面拉曼信号增强、生物细胞病变诊断等方向的初步应用研究。本项目不仅对光镊技术本身的新发展具有重要价值，而且对表面拉曼信号探测、临床医学检测与诊断等应用领域具有重要意义。

针对目前光镊技术研究研究中存在的近场光镊倏逝场偏弱，金属颗粒难以捕捉等问题，开展动态全光控表面等离子体（SP）新型光镊基础研究。利用SP增强光束捕捉力，降低对光源要求，并通过矢量光束实现对SP光镊的全光、动态调控。经过三年的研究工作，项目已顺利完成并达到预定目标，具体完成情况及取得成果包括：（1）研究了SP与金属颗粒相互耦合对电磁场的增强作用机理，建立相关理论模型；（2）实现了基于矢量光束的SP光镊全光动态操控系统，为进一步仪器化奠定基础；（3）基于动态的SP光镊系统中的Gap结构，实现了其在表面拉曼光谱信号增强、以及特征分子的表征和检测等方向的初步应用，为进一步开展生物学诊断提供光学和仪器等方面的技术支持；（4）在国内外重要刊物上发表SCI或EI收录的论文21篇，其中包括《Nature Communication》，《Nano Letters》，《Scientific Reports》等国际顶级期刊，申请专利2项，已授权1项，培养22名研究生，包括博士生9名，硕士生13名；培养博士后1名。本项目不仅对光镊技术本身的新发展具有重要价值，而且对表面拉曼信号探测，临床医学检测与诊断等应用领域具有重要意义。