激光复合微纳探针近场光强影响因素仿真分析

作者:马丽心;郑纯;李丹婷 刊名:哈尔滨商业大学学报(自然科学版) 上传者:刘秀梅

【摘要】通过建立镀膜光纤探针仿真模型,模拟锥形镀膜光纤探针针尖处剖面状态,实现对纳米微粒的非接触操作,以空气为操作环境,分析光纤探针镀膜厚度和光纤探针出射孔径的逐渐变化,找出其对近场光强的影响.同时对光纤探针发射激光照射AFM探针的角度变化、光纤探针与AFM探针之间距离的改变以及两者对AFM探针尖端场增强的影响规律做出了定量分析,通过仿真实验分析,进一步发现最大场增强因子,为完成纳米级物体操纵实验提供了参考.

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近年来,随着纳米科学技术的迅速发展,各种纳米材料、纳米计算机、纳米机器人、纳米机械等不断出现,纳米测量、纳米级超精密加工、纳米电子学都有了新的发展,与纳米机电系统(NEMS)相关的研究工作也在很多实验室中展开[1].目前操纵纳米级物体的方法主要有三种,一种是单探针接触式操作方法,利用原子力显微镜(AFM)纳米操作系统,通过探针实现对纳米尺度的样品拉-压、剪裁、提取-移动-放置、定位等操作,主要缺点是样品易丢失、操作效率低、并只能完成二维操作[2].第二种利用光镊完成,直接利用光纤探针出射激光产生增强的光阱力对纳米级样品进行移动,但由于光纤探针出射光强较弱,近场操作难以实现对纳米微粒的寻找和定位.第三种是本文所采用的方法,利用激光复合微纳探针产生近场效应完成对纳米微粒的非接触操作,避免与物体直接接触带来的表面损伤实现灵活准确的控制操作.1理论分析与实验搭建该实验主要是研究激光复合微纳探针产生的近场光镊来操纵纳米粒子,基本原理是利用AFM探针尖端处产生的局域增强的隐失场作为操作场,利用光阱力实现非接触纳米微粒的操作.实验操作设备是由光纤探针操作系统与AFM操作系统两部分搭建,同时进行了光纤探针的操作和AFM的观察与图像处理.1.1近场增强的基本原理根据近场光学理论,用传播场或隐失场照明高频物体时会产生迅速衰减的隐失场.当利用激光或入射光在金属导体与电介质的界面处产生的隐失光去照明金属探针或镀有金属层的探针时,探针尖端产生的隐失场会发生增强现象,该近场增强效应是由于金属表面的电子密度在空间重新分布后形成疏密相位的纵波而产生的表面等离子体激元,并与隐失光耦合同时沿金属表面自由传播形成一种电磁波[3].而隐失光可以引发金属表面的集体激发状态的自由电子产生表面等离子体,并由至少有一种电荷可以进行迁移的浓度相同的正、负电荷组成,在入射光取适当波长与偏振方向的条件下,当表面等离子体与隐失光的频率和波数相等时,金属表面会产生表面等离子体共振.通过对金属结构的调整可以控制表面等离子体激元的性质,这种可调控性使得金属结构在近场光学器件的设计方面潜力很大.锥形镀膜近场光纤探针利用金属膜的表面等离子体共振,将入射光束能量传递给金属膜层自由电子的共振能,使耦合电磁波向锥形探针的尖端汇聚,最终在尖端产生很大的近场增强.因此,镀膜光纤探针和AFM探针能突破传统透镜聚焦光斑受衍射极限的限制,在探针尖端获得显著的近场增强,进而在近场捕获研究领域发挥着重要的作用.1.2光纤探针传输激光辐照AFM探针的实验搭建操作通过光纤探针传输激光,辐照AFM的纳米操作系统具有两个系统的基本功能和组合配置,是一种实现复合方案并具备多功能实验操作的纳米操作仪器.既可以利用激光照射光纤探针通过光镊对纳米微粒进行单独的非接触无损伤操作,也可以根据AFM的操作模块对纳米微粒进行二维空间内的接触式机械操作,还可结合两者实现非接触无损伤可控制的捕获、提取纳米微粒操作实验方案.光纤探针型光路系统包括半导体二极管激光器、衰减器、光纤偏振旋转器、光纤分路器、光纤功率计、光纤适配器、镀膜光纤探针和三维调整工作台.显微镜部分包含AFM系统控制器、CDD控制器、PC控制终端、光学显微镜以及隔震平台.如图1所示,实验操作时是通过激光器出射激光经过光纤探针传播并在光纤探针尖端处形成近场并照射AFM探针,最终在AFM探针尖端及下方会形成捕获力,对纳米微粒进行捕获操作.图1双探针复合操作系统激光照射前后利用光学显微镜观察两个探针尖端处光场情况如下:图2(A)是利用三维微纳平台控制器对光纤探针进行粗、精多次调节,调节后靠近AFM探针

参考文献

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