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金属纳米薄膜表面的光力与光热操控

郑亚建  
【摘要】:在麦克斯韦建立电动力学理论体系的时候,他预言了光对物体会有力的作用,并且可以用麦克斯韦张量计算出来.在上世纪初,两个俄罗斯科学家在实验上证实了光力的存在[P. Lebedev, Annalen der Physik (1901), E. F. Nichols and G. F. Hull, The Astrophysical Journal17,315(1903)]到上世纪70年代,美国贝尔实验室的科学家Ashkin第一次用实验验证光力可以用来操控微小颗粒的运动,并且把这种效应称为"optical tweezer"。近几十年来,光力与光操控一直是一个非常热门的研究课题,已经发展成为一项应用于物理、化学、生物等各个领域的现代科技工具,特别是随着金属表面等离激元、超构材料等人工微结构材料的发展,传统光镊与纳米人工微结构材料的融合,使得光镊技术延伸到纳米光子学的领域,发挥着越来越重要的作用。本论文在传统光镊和近场光镊的基础上,引进金属纳米薄膜结构,研究了金属纳米薄膜上的近场光力操控和光热操控,主要内容包括以下几点: 一:研究了金纳米棒与金属薄膜之间磁等离激元近场耦合所导致的光操控: 我们设计了一个金纳米棒与金纳米薄膜的磁等离激元共振耦合体系,纳米棒与金属薄膜之间的磁等离激元共振耦合将导致它们之间产生非常强的吸引力。当以某一特定频率的激光激发磁共振时,吸引力与纳米棒的几何尺寸相关。利用这一原理,我们从数值上证明了对于不同长度的纳米棒选择性捕获的可能性。与此同时,我们还研究了在磁等离激元共振情况下,通过改变光的偏振,来控制纳米棒的转动和定向排列行为。 二:研究了基于一维牛眼结构的表面等离激元聚焦产生局域场增强用于近场光学捕获: 我们设计了一个一维牛眼结构,即在亚波长狭缝周围通过设计与入射电磁波波矢匹配的光栅结构,实现对表面等离激元的聚焦效果,使狭缝处局域场显著增强。通过数值模拟证明了狭缝处电磁场的增强将大大增加近场光学捕获力和近场光学辐射力,可以用来作为近场纳米光镊和近场纳米粒子发射枪。我们通过数值模拟详细研究了牛眼的各种参数对近场纳米光镊和纳米粒子发射枪的性能的影响。 三:研究了基于金属纳米薄膜增强光热效应导致的水蒸气泡的产生和气泡稳态控制,以及利用水蒸气泡和热对流实现微米粒子捕获和微米尺度图案直写: 研究了通过金属薄膜的增强光热效应,利用一束较低功率的连续激光在金属薄膜表面产生、控制热气泡,分析了激光功率和薄膜厚度对气泡生长动力学的影响。激光在液体中产生热效应,将导致在液体中同时产生热对流和热气泡。均匀分布在液体中的直径为1微米的聚苯乙烯小球在热对流和热气泡的共同作用下能实现在气泡底部快速沉积。通过操控气泡位置,可以实现在金属纳米薄膜上进行微米尺度图案的直写。 四:研究了利用激光的光热效应诱导的热扩散现象实现对由金属纳米薄膜形成的法布里-珀罗腔的调控和对渔网超构材料中磁等离激元共振频率的调控: 由于激光光热效应导致液体温度升高,均匀分布在液体中的纳米介质小球沿着温度梯度由光斑中心向四周排开,造成光斑中心等效折射率低,周围等效折射率高的效果。通过这个方法,我们有效的改变了法布里-珀罗腔的等效腔长,实现了对法布里-珀罗腔共振频率和金属渔网超构材料中磁等离激元共振频率调控。


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