本文關(guān)鍵詞：硅基近場光鑷的光學(xué)微操控研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：現(xiàn)代醫(yī)學(xué)及生物學(xué)研究已經(jīng)深入到對單個納米級別生物分子的操控。這對傳統(tǒng)的操控技術(shù)如微流控技術(shù)提出了很大的挑戰(zhàn),于是納流控技術(shù)應(yīng)運而生。其中,光鑷技術(shù)因具有非接觸、精度高和操控方便等優(yōu)勢成為了納流控技術(shù)中的理想驅(qū)動力。然而這種傳統(tǒng)的光鑷技術(shù)受到了衍射極限的限制,無法操控尺寸小于100納米的顆粒。得益于近幾年納米加工技術(shù)的迅猛發(fā)展,人類已經(jīng)能夠制作出極其精細的微結(jié)構(gòu),并提出了近場光鑷技術(shù)成功突破了衍射極限。而硅基平臺因易于集成和技術(shù)成熟等優(yōu)勢成為了實現(xiàn)近場光鑷技術(shù)的最佳平臺之一。硅基近場光鑷技術(shù)主要包括基于倏逝場的光鑷技術(shù)和基于表面等離子體的光鑷技術(shù)。利用不同的硅基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)對為微粒的不同操控功能,包括捕獲、運輸、分選、存儲和傳感等。本文提出了多種新穎的原理和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了多種光學(xué)微操控,包括能夠?qū)崿F(xiàn)納米顆粒的捕獲和傳輸?shù)墓鈱W(xué)傳送帶、能夠控制顆粒支路選擇的導(dǎo)向系統(tǒng)和能夠?qū)崿F(xiàn)不同顆粒大小自動篩選的光學(xué)分選器,為片上硅基光鑷系統(tǒng)的高度集成化提供了強有力的支持。本論文主要分為三部分：1、提出了一種波導(dǎo)激勵型光學(xué)傳送帶,實現(xiàn)了納米顆粒在納米量級的精確捕獲和傳輸。因為倏逝場尺寸處于百納米量級,傳統(tǒng)的波導(dǎo)型光鑷只能捕獲和操控百納米級別的顆粒。要實現(xiàn)尺寸小于100納米的顆粒捕獲就必須提高光場梯度力,而等離子型近場光鑷為該難題提供了一種有效的解決手段。比如一對以一定間隔擺放的金屬棒就能實現(xiàn)有效地激勵起局域光場,可以提供增強幾十倍的光場梯度力,從而實現(xiàn)顆粒的捕獲。這種結(jié)構(gòu)還具有尺寸相關(guān)的波長選擇特性,因此可以通過波長選擇激勵區(qū)域。將不同尺寸的金屬顆粒對交替排列在波導(dǎo)上方,并不斷切換輸入的波長就可以實現(xiàn)熱區(qū)以流水燈方式的移動。利用光鑷技術(shù),通過光場和顆粒移動的映射關(guān)系,最終可以實現(xiàn)顆粒在波導(dǎo)上前向或者后向的蠕動。每切換一次波長,顆粒步進一格。相比于利用散射力推動的方式,該方法可以精確控制顆粒的位移。該設(shè)計提供了一種新型的方式首次實現(xiàn)了在硅基波導(dǎo)平臺上對納米顆粒的捕獲和可控傳輸。2、提出了一種通過切換輸入光的偏振方向?qū)崿F(xiàn)顆粒不同路徑導(dǎo)向的裝置。邏輯操控是光學(xué)微操控領(lǐng)域最為關(guān)鍵的功能之一,也是實現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜操控的最基本功能單元之一。但目前的顆粒導(dǎo)向器件絕大部分都是基于波長調(diào)控的,但這需要多波長的光源來實現(xiàn),而且硅基結(jié)構(gòu)尺寸較大。本文提出了一種基于偏振的顆粒導(dǎo)向系統(tǒng)。因狹縫波導(dǎo)具有很強的偏振敏感特性,通過參數(shù)優(yōu)化,可以實現(xiàn)狹縫波導(dǎo)和納米線波導(dǎo)之間的偏振選擇性耦合,從而可以利用這兩種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)簡單的偏振分束器。當(dāng)不同偏振的光輸入到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中時光會從不同的輸出口輸出。因此,在近場光鑷的作用下,通過操控輸入光的偏振態(tài),可以實現(xiàn)顆粒導(dǎo)向。3、提出了一種利用不同尺寸顆粒對同一光場具有特異性響應(yīng)的特性而實現(xiàn)的顆粒分選系統(tǒng)。顆粒分選是片上系統(tǒng)中關(guān)鍵的技術(shù)之一,能夠?qū)崿F(xiàn)不同種類或不同尺寸顆粒之間的自動分離,相比于傳統(tǒng)的利用高性能相機觀測后再主動揀選的方式具有非常大的優(yōu)勢。本文設(shè)計的結(jié)構(gòu)由兩根寬度不一致的波導(dǎo)組成,寬波導(dǎo)具有較大的光場包絡(luò),而窄波導(dǎo)具有較小的光場包絡(luò)。當(dāng)尺寸不同的顆粒處在這樣的光場中時,大顆粒能夠響應(yīng)寬波導(dǎo)的光場給予的光力并忽略光場在相對于顆粒尺寸來說較小范圍內(nèi)的梯度力,而小顆粒因尺寸限制無法感知大包絡(luò)的變化。因此尺寸相異的顆粒會對同一光場產(chǎn)生完全不同的響應(yīng),最終從不同出口輸出�？傊�,本文利用了金屬顆粒對的波長選擇特性實現(xiàn)了顆粒的傳輸、利用狹縫波導(dǎo)的偏振選擇特性實現(xiàn)了顆粒的導(dǎo)向以及利用不同尺寸顆粒對相同光場的不同響應(yīng)實現(xiàn)了顆粒的分選。這些結(jié)構(gòu)拓展了光流集成領(lǐng)域的操控方法和功能,具有較大實際的研究意義。
【關(guān)鍵詞】：硅基波導(dǎo) 光鑷 微操控 顆粒捕獲 偏振選擇 顆粒分選
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN25
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-29
• 1.1 研究背景13-14
• 1.2 光鑷的基本原理14-20
• 1.2.1 梯度力和散射力15-18
• 1.2.2 傳統(tǒng)光鑷的局限性18-20
• 1.3 近場光鑷的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢20-24
• 1.3.1 平面波導(dǎo)器件21-23
• 1.3.2 光學(xué)諧振器23-24
• 1.3.3 等離子體24
• 1.4 研究意義24-26
• 1.5 本論文主要內(nèi)容26-29
• 第二章 近場光鑷的分析方法和硅基加工工藝29-39
• 2.1 電磁場的數(shù)值仿真方法29-32
• 2.1.1 時域差分法30
• 2.1.2 有限元法30-31
• 2.1.3 矩量法31-32
• 2.2 光學(xué)力的計算方法32-33
• 2.3 硅基制造工藝33-36
• 2.3.1 光刻33-34
• 2.3.2 剝離34
• 2.3.3 電子束曝光34-35
• 2.3.4 干法刻蝕35-36
• 2.4 硅基近場光鑷的封裝方式36-39
• 第三章 基于等離子納米棒的硅基光學(xué)傳送帶設(shè)計39-47
• 3.1 引言39-40
• 3.2 基于等離子納米棒的硅基光學(xué)傳送帶設(shè)計40-42
• 3.3 硅基光學(xué)傳送帶的性能分析42-44
• 3.4 總結(jié)44-47
• 第四章 基于偏振控制的顆粒導(dǎo)向系統(tǒng)設(shè)計47-57
• 4.1 引言47-48
• 4.2 波導(dǎo)模式耦合理論48-50
• 4.3 非對稱定向耦合器設(shè)計50-54
• 4.4 顆粒導(dǎo)向系統(tǒng)的性能分析54-56
• 4.5 總結(jié)56-57
• 第五章 基于硅基近場光鑷的顆粒分選設(shè)計57-67
• 5.1 引言57
• 5.2 顆粒分選系統(tǒng)中的光場設(shè)計57-59
• 5.3 基于硅基近場光鑷的顆粒分選系統(tǒng)設(shè)計59-62
• 5.4 顆粒分選系統(tǒng)的性能分析62-63
• 5.5 顆粒分選系統(tǒng)設(shè)計63-64
• 5.6 總結(jié)64-67
• 第六章 總結(jié)與展望67-71
• 6.1 總結(jié)67-68
• 6.2 本論文的創(chuàng)新點68
• 6.3 展望68-71
• 參考文獻71-77
• 碩士期間發(fā)表文章77-81
• 致謝81-83

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