基于表面等离子体共振结构的光学微操控研究

光学微操控是一种非常有效的非接触，无损伤式微纳颗粒操控方式，可以实现对微纳目标的抓取，移动，翻转以及拉扯等多种操作。它的精度高，准确性强，在微纳颗粒筛选，生物分子研究，纳米组装，光致机械力学，微弱信号探测，以及医学诊断等方面有着大量潜在的应用。传统光学微操控强烈依赖于高强度激光和有复杂相位构造的光束, 而表面等离子体电磁共振结构由于具有增强的局域场，独特的近场分布，以及与传统光源特殊的耦合，可以被用来增强光力，灵活调控光力场，并实现高精度近场光学微操控。我们将应用理论分析，计算机模拟，以及实验手段三种方法，研究表面离子体共振结构光力场的调控机理和对微纳颗粒的操控作用。反过来，我们将进一步研究如何用各种光力场（包括利用表面等离子体结构）来操控相应的共振结构，以及基于此的表面等离子体光物质制备和全光微纳光学器件拼装。这项研究不仅具有一定的学术价值，而且为实现低场高精度光学微操控提供依据。

本研究采用理论分析、计算机模拟与实验验证等手段对表面等离子体共振结构中的光致力学行为进行了系统研究。成功发展出了对光力进行快速准确计算的方法，包括有限积分-麦克斯韦张量法（FIT-MST），离散偶极近似-麦克斯韦张量法（DDA-MST），-离散偶极近似-洛伦兹力法（DDA-LF），以及有限元-麦克斯韦张量法（FEM-MST)和边界元—快速多级展开法（BEM-FMM）等。将这些方法在规则及不规则形状共振光子体系中进行对比，得到非常好的收敛结果，为研究共振等离激元体系相关的光学微操控提供系统工具。基于这些方法，研究了具有Fano共振的颗粒体系，以及不同颗粒体系放置在平板上的光学绑定力。首次发现：(1) 在发生Fano共振的波段二聚体之间的光致绑定力（Optical Bonding Force, OBF）的符号会发生明显的反转，也就是说构成二聚体的金纳米棒之间发生从吸引到排斥再到吸引的过渡; (2)发现由于多重Fano共振的存在使得颗粒间的作用力方向随着外场频率的变化发生吸引-排斥-吸引的多次反转现象, 其中由吸引到排斥的反转主要由于Fano共振发生时局域场相位的突变而引起，由排斥到吸引的反转则主要来源于纳米环结构中不同阶SPR模式间的过渡; (3) 放置在金属板上的金纳米棒及其同质结二聚体共振谱及光力谱会发生显著变化，同时在高度方向出现局域最大值 . 此外，我们利用光纤衰势波初步验证了对金属微纳颗粒的光力作用，实验方面利用多波长光纤激光器来进行颗粒微操控的深入研究正在进一步开展。这些研究结果证明表面共振激元可以被用来增强光力，灵活调控光力场，并实现高精度近场光学微操控。