金属纳米粒子与空间结构矢量光场相互作用及其在光镊中的应用

Manipulating metallic nanoparticles by optical tweezers have plenty of important applications in surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) and biological detectors, etc. However, due to the strong scattering force and severe optical heating effect, trapping metallic nanoparticle become more and more difficult when the trapping wavelength approaches the resonance of the plasmonic particle. Compared with scalar optical field, the advantages of structured vectorial field in trapping metallic nanoparticle have been demonstrated in our previous work. The objective of this project is to develop a novel strategy to form a stable 3-dimensional trapping of metallic nanoparticles even under the resonant condition through careful and purposeful engineering a vectorial optical field as the illumination. The optical force arisen from the interaction between the highly focused structured vectorial field and the metallic nanoparticle will be studied and its applications in optical tweezers will also be exploited. The impact of the spatial distribution of the vectorial beam on the characteristics of the optical trapping will be studied, and the coupling model among the vectorial beam, optical trapping, and optical heating effect will be developed. The vectorial beam will be carefully and purposely tailored and optimized in order to trap the resonant metallic nanoparticle. It will enable us to develop novel optical tweezers that may open new avenues for optical manipulation and their applications in various scientific fields such as SERS and photothermal therapies.

运用光镊技术操控金属纳米粒子在表面增强拉曼与生物探测等技术领域有重要的应用价值。然而，随着激光波长趋近粒子的共振波长，由于强散射力和等离激元共振吸收产生的光热效应的制约，实现对金属纳米粒子在无衬底条件下的稳定三维捕获愈发困难。相较标量光场，结构矢量光场在捕获金属粒子上的优势已在前期工作中得以证明。本项目旨在提出一种通过调控光场空间分布来实现对金属纳米粒子稳定捕获的新技术。主要开展由紧聚焦空间结构矢量光场与金属纳米粒子相互作用而产生的新颖光力效应研究，并将其应用于光镊技术。详细分析矢量光场对光阱特征参数的影响，发展基于光场调控的新型光镊技术。通过本项目的实施揭示光阱特征参数与光场空间分布之间的依赖关系，建立矢量光场-光阱-光热效应的耦合模型，优化并生成适于在共振条件下捕获金属纳米粒子的新型矢量光场，开发基于矢量光场调控的光镊技术，为拉曼光谱、恶性肿瘤的光热治疗等众多科学领域开辟新的技术途径。

非均匀偏振矢量光场由于其丰富的物理性质和效应以及在光学微操控领域极具潜力的应用前景正受到人们的极大关注。本项目的主要研究内容包括：（1）矢量光场调控的新原理和新方法，研究矢量光场的传播规律、聚焦行为、与物质的相互作用；（2）研究涡旋光场的检测方法，实现光学轨道角动量探测技术的大范围、集成性、重构性和实时性；（3）研究矢量光场在多功能光学微操控中的应用，研究基于空间结构矢量光场的可在极端条件下工作的新型光镊技术。通过三年的工作，取得了多项创新研究成果，主要成果包括：（1）提出光学焦场的逆向设计方法，可根据所需的焦场特征快速计算出在光瞳面所需的入射光场分布。利用矢量光场生成系统对入射光场振幅、相位和偏振态的空间分布进行剪裁，可实现对紧聚焦光场强度、偏振态、自旋取向和轨道角动量的有效调控；（2）提出了基于微纳结构的涡旋光场生成和探测方法，利用微纳结构的模式特性生成了亚波长尺度的涡旋光场，并能实现对光学轨道角动量的大范围和可重构的快速检测；（3）通过对聚焦单光束和双光束的空间分布进行调控，在焦场区域生成特定振幅分布和偏振分布的光学焦场，可消除散射力在光轴上对于光镊稳定性的破坏，能够在极端条件下实现对多种材料和尺寸微纳粒子的三维稳定捕捉，并能对粒子的多种动力学行为进行精准的控制。通过本项目的研究，在矢量光场的生成与调控，焦场整形与调控等新颖特性及在光学轨道角动量探测和光学微操控领域都进行了较深入的探索与研究，为光镊技术及其在各学科领域的应用开拓了新的途径。