基于平面超构透镜的微型光镊捕获系统的研究

Based on the ideology to achieve a miniaturized, low cost and integratable optical tweezer system, this program is to study a miniaturized optical tweezer trapping system by integrating the metasurface technology, optical waveguide theory and microfluidic technology. The new system also has compatibility with traditional optical modules. The study details are as follows: (1) design a high numerical aperture metalens with compatibility to traditional optical modules; make a metalens array for multiple spot focusing with high intensity gradient; nano-fabricate of metalens and the measure of the focusing properties;(2) realize the miniaturized optical tweezer trapping system with the integration of metalens array, optical fiber source and microfluidic chips; trap multiple microparticles and measure the trapping potential. This program overcomes the limitation of traditional objective lens for optical trapping with large size and high cost. The proposal of the miniaturized and integratable optical trapping system not only has wide application with the well-known biological and medical fields, but also has great potential applications in signal transducing, energy transform and microscope areas.

基于将传统复杂的光镊系统微型化、低成本化以及器件集成化的思想，本项目旨在结合平面超构材料技术、光波导理论以及微流控技术等交叉学科，探索在微米尺度的平面超构透镜阵列中对多个微纳颗粒的捕获，同时与传统光模块相兼容的创新性方案。具体研究内容包括:(1) 探索高数值孔径的平面超构透镜的设计；提出平面超构透镜与传统光模块的兼容方案； 建立平面超透平面透镜阵列，实现多点聚焦功能；基于微纳加工工艺对平面超构透镜的制备及平面超构透镜聚焦性能测试；（2）通过平面超构透镜与光源光纤、微流控芯片的集成，得到一体化的微型光镊捕获系统；利用该系统实现对多个微纳颗粒的捕获。本项目的研究突破了传统大尺寸透镜光镊难以集成化的瓶颈，并提出将光镊系统集成化的前瞻性思想，不仅在已经广泛开展的生物医药领域发挥着举足轻重的作用，并且在信号传感、能量转换以及显微成像方面显示出巨大的潜在应用价值。

项目首先通过交叉圆偏振的反射电磁波相位控制，分别在频率为8.3GHz的波和频率为11.6GHz的波，证明了l=-1的涡旋角动量(OAM)波束, 其OAM的模式谱分别为0.47和0.33。，反射光束表现出鲁棒的l=-1模式OAM波特性，与先前的工作相比具有更宽的工作频率范围，并且在提高通信领域中的OAM波利用率方面具有很高的潜力。在旋光超表面中，通过基于液态金属的柔性手性超表面的设计，以及通过液态介质对手性超表面的二维与三维的状态控制，实现了对太赫兹波的旋光效应。 在0.1THz~0.3THz范围内，通过对超表面的实时形变，偏振旋转在0.19太赫兹时THz达到14°。在0.23THz下也观察到0.7的高椭圆度值。因此，在弯曲的手性超表面中显示了旋光效应。在基于二极管的EIT超表面中，观察到高于7GHz频率的高得多的共振峰。此外，我们定义了相对调谐带宽比，即调谐频率与中心频率的比值，以描述EIT超材料的可调谐性。对于先前工作，相对调谐带宽比相对较小（小于10%）；然而，在这项工作中，观察到了高达16.1%的相对调谐带宽比。此外，通过设计不同的微流通道，研究并实现了特殊流体在微通道中的不稳定性，为微球在微流通道中的稳定捕获建立了力学分析。 为了实现集成芯片的光镊捕获， 我们建立了锥形光纤波导与微通道芯片集成在一起的集成芯片。通过波长为980nm、功率为300mW的连续激光通过锥形光纤波导入射，聚苯乙烯球被捕获在锥形光纤波导前端。以上实现了集成芯片的光镊捕获。