微光纤传输涡旋光操控金属微纳颗粒马达芯片的模拟及实验研究

Highlighted by Science at 2012, novel optical phenomenon and its applications could be brought when optical beams with particular polarizations and phases meet the metallic micro/nano structures. Since then, several studies have been demonstrated that the optical vortex (OV), whose has complex intensity and phase properties, has been brought into the researches on surface plasmons (SPs) gradually, becoming one of the hottest tops in micor/nano photonics. This project proposes the plasmonic micro/nano motor based on metallic particles, which is driven by the OV beam in MFs. The propagation properties of the OV beam in a MFs is studied by numerical calculation method. The distributions of plasmonic field and optical binding force field are also simulated. Experimentally, the metallic micro/nano particle motor is controlled by the OV, which exports from MF and works as the driven light. With the help of MF, the chip-integration of this plasmonic motor can be realized in the microfluidic chip. This project can provide a new propagation method of OV and novel integration approach of plasmonic devices and components. The MF-integrated plasmonic motor may be used in a variety of applications such as optofluidics and optical sensing.

2012年，《Science》发表论文指出：具有特殊偏振态或相位性质的光束与金属微纳结构相互作用时，可带来新颖的光学现象，具有广阔的应用前景。此后的多项研究表明，涡旋光束（OV）以其复杂的强度及相位特征，被逐渐引入到表面等离激元（SPs）研究中，成为当前微纳光子学领域的前沿课题之一。本项目通过OV在微光纤中的传导与输出，近场激发金属微纳颗粒的SPs，实现等离激元微纳马达的组装及微光纤集成。研究涡旋光束在微光纤中的传输特性；计算涡旋光近场激发下，金属微纳颗粒间等离激元场及光学结合力的特性；搭建实验平台，用微光纤近场组装OV驱动的金属微纳颗粒马达，实现等离激元器件的芯片集成。本项目工作可以拓展OV的传输方式，为采用新思路组装等离激元器件并完成芯片集成进行理论探索和实验研究，具有重要的学术价值。本研究得到的微光纤集成、涡旋光束驱动的金属微纳颗粒马达，在光流控、光学传感等领域具有潜在的应用价值。

应用矢量光束与金属微纳结构相互作用，得到新型等离激元器件的片上系统，是实现光子器件进一步微型化及集成化，拓展光学理论的工程应用的重要方向之一。. 通过理论计算确定了直径在3.0~8.0 μm的微光纤可实现涡旋光束的稳定传输。对光纤锥模场分布特点的计算表明，锥尖为250 nm的光纤锥其模场半径最小。对微纳光纤倏逝场强度分布特点，及多个金属纳米颗粒间电场能量分布特点的模拟计算，为光操控实验做了充足的理论指导；通过对涡旋光束拓扑荷数与光强分布的计算发现，涡旋光束光斑的大小由入射高斯光束的光斑尺寸决定。通过实验实现了涡旋光束的微光纤输出，采用荧光指示的方法标定了微纳颗粒马达的效率；金属颗粒尺寸从10 nm增加到100 nm时，场强增强因子提高106倍以上；对于水和甘油溶液等不同的液态环境，金属颗粒直径为100 nm时，微粒马达的运转效率比10 nm的提升~1.5倍。通过与介质颗粒马达的对比，发现PS颗粒马达的运转时间约是同尺寸的金属颗粒马达运转时间的2倍。. 此外，研究项目对微光纤和聚合物微米线的光学特性及其光子器件性能进行了扩展研究。发现微光纤传输损耗与光学衬底材料及光纤直径有关；当MgF2衬底上的微光纤弯曲半径小于37 μm时，其弯曲损耗率大于传输损耗率。相同条件下，微光纤的传输损耗（0.039 dB/μm）低于PS聚合物微米线的（0.0135 dB/μm）；且掺杂染料分子后，聚合物微米线传输损耗增加约3倍；染料掺杂后的聚合物微米可在远场直接观察到微米线中光路的传输及耦合，为光子器件组装提供一种直观方式。当改变聚合物微米线Y型分束器的耦合长度时，可以改变器件输出臂分光比，且输出强度受到器件表面吸附颗粒的散射损耗影响，为该类器件在烟雾报警及传感领域的实际应用奠定基础。. 项目在研期间，参加国内学术会议1次，国际学术会议2次，发表SCI学术论文6篇，中文核心期刊论文2篇，申请发明专利2项，授权实用新型专利1项，培养硕士研究生3人。