專利名稱：一種利用納米微粒排列形狀測量近場光強分布的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于近場光學和納米操作領(lǐng)域，特別涉及一種利用納米微粒排列形狀測量近場光強分布的方法。
背景技術(shù)：
隨著科學與技術(shù)向小尺度與低維空間的推進，在光學領(lǐng)域中出現(xiàn)了一個新型交叉學科——近場光學，近場光學對傳統(tǒng)的光學分辨極限產(chǎn)生了革命性的突破。物體表面的光場包含兩種成分，一種是由物體粗糙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的可以向遠處傳播的傳播場，所形成的遠場中只有傳播波，僅包含電磁場的低空間頻率部分，不包含樣品的亞波長結(jié)構(gòu)信息；另一種是由物體納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的局域于物體表面，在物體之外迅速衰減的非輻射隱失場，該隱失場包含豐富的物體亞波長結(jié)構(gòu)信息。瑞利判劇建立在遠場傳播場的基礎(chǔ)上，近場的隱失場并不受其約束，因此在近場光學領(lǐng)域內(nèi)分辨率極限不受任何限制，光學應(yīng)用分辨率能得到大幅提高。當對物體表面的近場區(qū)域進行探測時，可以獲得豐富的亞微米光學信息和精細結(jié)構(gòu)信息，但由于沒有合適的觀察工具，這種高空間分辨率技術(shù)在很長時間內(nèi)受到極大的限制。由于非輻射場分量具有隱失波的特點，目前唯一的探測方法是利用光學隧道效應(yīng)，將探頭引入非輻射場內(nèi)產(chǎn)生光學擾動，把局限在物體近場范圍內(nèi)的信息轉(zhuǎn)換出來。當把一個小的有限物體(如光纖探針的尖端)放入物體近場區(qū)域時，它可以將隱失場轉(zhuǎn)換成傳播場并被遠處的探頭所探測，探頭獲得的信息能準確反映精細結(jié)構(gòu)的局部變化，進而獲得物體近場光強的分布信息。利用鍍膜光纖探針尖進行近場探測時，由于針尖尺寸對測量結(jié)果有很大的影響，要求光纖探針具有孔徑極小的限制孔闌，然而過小的納米孔徑會限制其通光效率的提高。當針尖具有超高光學分辨率的孔徑時，光纖探針極低的通光效率使得尖端小孔透過的光子通量極低，從而給物體近場分布的研究帶來一定的困難。在近場探測過程中，光子很容易向遠處傳播，因此易與觀察物以外的物體或缺陷發(fā)生反射、衍射，這些相互作用將使所觀察近場的真實情況發(fā)生改變。此外，如何嚴格控制探針和樣品的間距是另一難點，雖然可以把探針尖本身當作近場光學顯微鏡的組成部分來對樣品進行超衍射極限的納米級分辨，但操作起來復雜，不能應(yīng)用于簡單直接的近場探測。最近發(fā)展起來的近場操作理論表明，隱失場在與微粒相互作用的過程中將轉(zhuǎn)化為傳播場，光子動量發(fā)生改變，同時引起微粒動量改變，從而對微粒產(chǎn)生沖力作用。處于不均勻隱失場中的納米微粒除受到梯度力作用之外，還受到外界干擾力(如重力和布朗運動力)的影響，當隱失場形成的梯度力大于外界干擾力時，對納米微粒起主導作用的梯度力將微粒捕獲在光強極點附近。強度劇烈衰減的隱失場一般局限在發(fā)生全反射的界面和納米孔徑周圍的區(qū)域內(nèi)，并對其中的微粒產(chǎn)生一個指向界面或孔徑的梯度力，為了研究近場捕獲能力需要對物體表面的近場光強分布作定性分析。若通過光纖探針針尖直接研究全反射界面和納米孔徑的近場分布，操作起來不僅過程復雜而且成本大大提高，為直接定性觀察精細結(jié)構(gòu)附近的近場光強，需要尋找一種與近場分布近似的模型，通過對模型的研究進而了解近場光強分布的性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為克服傳統(tǒng)近場探測的不使，提出一種利用納米微粒排列形狀測量近場光強分布的方法，運用該方法對精細結(jié)構(gòu)表面的近場分布進行有效的觀測，通過直接研究納米微粒規(guī)律性的排列形狀而得出近場光強的分布情況。本發(fā)明提出的利用納米微粒排列形狀測量近場光強分布的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括光纖探針型近場探測系統(tǒng)和棱鏡全內(nèi)反射隱失場探測系統(tǒng)光纖探針型近場探測系統(tǒng)包括半導體二極管激光器、法蘭可調(diào)光衰減器、光纖偏振旋轉(zhuǎn)器、光纖分路器、光纖功率計、光纖適配器、單模近場光纖探針、X^三維調(diào)整臺、樣品池及激光掃描共聚焦顯微鏡；棱鏡全內(nèi)反射隱失場探測系統(tǒng)包括激光器、擴束及分束系統(tǒng)光路、反射鏡、光學棱鏡及激光掃描共聚焦顯微鏡。該近場探測方法將樣品池置于顯微鏡的載物臺上，借助鋼管套對光纖探針進行保護， 調(diào)節(jié)好光纖探針的插入角度后，利用三維調(diào)整臺將光纖探針探入到載玻片下的液體樣品池內(nèi)，并調(diào)節(jié)至蓋玻片底部。或?qū)悠烦刂糜诠鈱W棱鏡的上表面，激光束采用大于臨界角的入射角對稱照明，在界面處產(chǎn)生全內(nèi)反射。將調(diào)節(jié)好插入位置和角度的探針尖端或棱鏡上表面移入視場后，調(diào)整激光器的輸出功率，使光纖探針針尖處增強隱失場或棱鏡上表面的相干隱失場產(chǎn)生的梯度力適于操作樣品，同時利用激光掃描共聚焦顯微鏡的微機信號處理和顯示系統(tǒng)對樣品的排列形狀進行監(jiān)測。本發(fā)明提出的利用納米微粒排列形狀測量近場光強分布的方法要實現(xiàn)近場梯度力形成、納米操作和實時觀測三部分功能，能用于精細結(jié)構(gòu)表面近場光強分布的直接定性測量。由于隱失場僅在近場區(qū)域內(nèi)存在，因而減小了作用空間，同時迅速衰減的梯度場提供了捕獲微粒所需要的大梯度力，微粒能被捕獲到近場光強極點附近，因此本發(fā)明提出的近場探測方法不僅可實現(xiàn)對納米量級的微粒的捕獲，還可通過微粒的捕獲位置直接反映出近場光強的分布情況。與常規(guī)的利用鍍膜光纖探針作近場探測相比，本發(fā)明提出的近場探測系統(tǒng)成本低，結(jié)構(gòu)簡單、易安裝，可以方便地定性分析近場光強分布情況，能大大提高精細結(jié)構(gòu)近場光學的研究能力。實現(xiàn)近場光強分布定性測量的基本原理是利用精細結(jié)構(gòu)附近局域隱失場產(chǎn)生的強梯度力來捕獲納米微粒。根據(jù)近場光學理論，當激光進入鍍有金屬層的光纖探針時，孔徑為納米量級的探針尖表面會產(chǎn)生表面等離子體激元共振，被激發(fā)的表面等離子激元沿表面?zhèn)鬏斣卺樇馓幠墚a(chǎn)生局域增強隱失場；當對稱入射光從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時，如果調(diào)整后的入射角大于臨界角，入射光將被全部反射回光密介質(zhì)，并在光疏介質(zhì)方向的界面附近產(chǎn)生相干隱失場。通過與微粒的相互作用，光纖探針針尖處增強隱失場和棱鏡上表面的相干隱失場通過微粒轉(zhuǎn)化為傳播場，光子動量發(fā)生改變的同時微粒動量也發(fā)生相應(yīng)改變， 進而對微粒產(chǎn)生梯度力作用。當隱失場形成的梯度力大于外界干擾力時，對納米微粒起主導作用的梯度力將微粒捕獲在光強極點附近，此時微粒的捕獲位置能直接反映出近場光強的分布情況。納米微粒受到的光梯度力方向可根據(jù)光動力學原理來判斷，梯度力大小可由時域有限差分法和麥克斯韋應(yīng)力張量積分計算出來。對于確定的微粒，精細結(jié)構(gòu)必須產(chǎn)生足夠強的梯度力才能將微粒穩(wěn)定地束縛在光阱中。針對本發(fā)明提出的利用納米微粒排列形狀測量近場光強分布的方法，光纖探針型近場探測系統(tǒng)包括激光光源、光路調(diào)整與檢測器件和近場光纖探針來形成近場局域增強場，而棱鏡全內(nèi)反射隱失場探測系統(tǒng)包括激光器、光路擴束及分束器件和光學棱鏡來形成近場局域光場。近場探針采用尖端具有納米孔徑的鍍金屬膜光纖探針，該孔徑型光纖探針由光纖/硅/氮化硅材料制成，在單模或具有梯度折射率的裸光纖探針的尖端錐面上鍍一層金屬膜，尖端具有直徑小于入射波長的通光小孔。光纖探針型近場探測和棱鏡全內(nèi)反射探測裝置分別經(jīng)三維調(diào)整臺引入激光掃描共聚焦顯微鏡的載物臺，各個功能的機構(gòu)可以獨立，也可以互相交錯。本發(fā)明提出的利用納米微粒排列形狀測量近場光強分布的方法包括使激光與精細結(jié)構(gòu)的表面相互作用獲得近場局域光場，利用隱失場對納米微粒的光梯度力來實現(xiàn)捕獲和移動操作，同時利用水中周期排列的直徑為納米級的單層微粒來模擬精細結(jié)構(gòu)近場范圍內(nèi)的光強分布。所述的精細結(jié)構(gòu)采用尖端具有納米孔徑的鍍金屬膜光纖探針或具有激光對稱照明的棱鏡表面。具體可包括光纖探針出射近場光強分布的探測或棱鏡上表面相干隱失場光強分布的探測，光纖探針近場光強分布的探測包括以下步驟(1)首先采用激光掃描共聚焦顯微鏡的粗調(diào)系統(tǒng)粗略地選擇樣品池內(nèi)密度和分散度合適的納米微粒區(qū)域；(2)之后通過激光掃描共聚焦顯微鏡的微進給系統(tǒng)將焦平面逼近納米微粒，對單層納米微粒進行精確定位；(3)確定好納米微粒的選擇定位后，在激光掃描共聚焦顯微鏡的監(jiān)控下，利用三維調(diào)整臺調(diào)節(jié)好光纖探針的插入角度與位置，并將光纖探針和蓋玻片的距離縮小到近場范圍以適于納米操作；(4)調(diào)整激光器的輸出功率，使光纖探針針尖處增強隱失場產(chǎn)生的梯度力適于操作微粒；(5)調(diào)整線性偏振激光束的偏振狀態(tài)，利用激光掃描共聚焦顯微鏡實時監(jiān)控微粒的排列形狀，對光纖探針端口處近場光強分布進行定性探測。棱鏡上表面相干隱失場光強分布的探測包括以下步驟(1)首先采用激光掃描共聚焦顯微鏡的粗調(diào)系統(tǒng)粗略地選擇棱鏡上表面密度和分散度合適的納米微粒區(qū)域；(2)之后通過激光掃描共聚焦顯微鏡的微進給系統(tǒng)將焦平面逼近納米微粒，對單層納米微粒進行精確定位；(3)將線偏振激光束經(jīng)過擴束、分束等步驟后，在棱鏡上表面處分別發(fā)生全內(nèi)反射，調(diào)整激光器的輸出功率，使在兩個光斑重疊區(qū)域形成的相干隱失場產(chǎn)生的梯度力適于操作樣品；(4)調(diào)整激光束的偏振狀態(tài)，利用激光掃描共聚焦顯微鏡實時監(jiān)控微粒的排列形狀，對棱鏡上表面處近場光強分布進行定性探測。本發(fā)明提出的這種利用納米微粒排列形狀測量近場光強分布的方法具有如下主要特征(1)全光纖的低損耗耦合光路避免使用空間光學器件，解除光學平臺的限制，可提高操作的靈活度；
(2)光纖探針型近場探測與棱鏡全內(nèi)反射隱失場探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、便于調(diào)整、成本低；(3)采用激光掃描共聚焦顯微鏡來完成對近場光強分布的探測，與傳統(tǒng)的通過近場光學顯微鏡來測量近場光變化的方法不同；(4)捕獲系統(tǒng)與觀測系統(tǒng)分離，對系統(tǒng)中更換光纖探針和光學棱鏡等設(shè)備有較大的自由度。本發(fā)明提出的這種利用納米微粒排列形狀測量近場光強分布的方法具有如下優(yōu)點。(1)克服傳統(tǒng)近場探測中分辨率依賴于光纖探針孔徑和探針與樣品間距離大小的問題，可實現(xiàn)精細結(jié)構(gòu)近場分布的定性測量，為近場光學的實驗研究帶來便捷；(2)水溶液中規(guī)則排列的微粒與近場光強具有相似的分布，通過簡化模型從某一角度了解近場分布，能擴大近場探測的應(yīng)用范圍；(3)操作簡單方便，可實時探測近場光強變化，定性地判斷精細結(jié)構(gòu)的近場分布情況；(4)探測與控制機構(gòu)均由現(xiàn)有納米操作系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)要求不高，成本較低，維修方便。


圖1為光纖探針型近場探測中微粒的捕獲位置與近場局域光場分布，其中1-光纖纖芯；2-金屬膜；3-納米微粒；圖IA為光纖探針型近場探測的數(shù)值計算模型；圖IB為光纖探針型近場探測中ζ向的梯度力分布；圖IC為光纖探針型近場探測中y向的梯度力分布；圖ID為光纖探針型近場探測中χ向的梯度力分布；圖IE為光纖探針型近場探測中微粒的捕獲位置；圖IF為光纖探針型近場探測的近場局域光場分布；圖2為棱鏡全內(nèi)反射隱失場探測中微粒的捕獲位置與近場光強分布，其中4-光學棱鏡；5-納米微粒；圖2A為棱鏡全內(nèi)反射隱失場探測的數(shù)值計算模型；圖2B為棱鏡全內(nèi)反射隱失場探測中y向的梯度力分布；圖2C為棱鏡全內(nèi)反射隱失場探測中ζ向的梯度力分布；圖2D為棱鏡全內(nèi)反射隱失場探測中微粒的捕獲位置；圖2E為棱鏡全內(nèi)反射隱失場探測的近場光強分布；圖3為光纖探針型近場探測的結(jié)構(gòu)示意圖，其中6-半導體激光器；7-保偏尾纖； 8-衰減器；9-光纖偏振旋轉(zhuǎn)器；10-光纖分路器；11-光纖功率計；12-光纖適配器；13-光纖探針；14-三維調(diào)整臺；15-激光掃描共焦顯微鏡；16-載物臺；17-樣品池；18-物鏡； 19-檢測分光鏡；20-透鏡；21-激光器；22-檢測器；23-監(jiān)視器；24-載玻片；25-蓋玻片；圖4為棱鏡全內(nèi)反射隱失場探測的結(jié)構(gòu)示意圖，其中26-激光器；27-擴束透鏡組；28-半波片；29-反射鏡；30-光束分路器。
具體實施例方式以下結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明圖1為光纖探針型近場探測中微粒的捕獲位置與近場局域光場分布。數(shù)值計算模型如圖IA所示，該圖為光纖探針的剖面圖，光纖探針的下段可視為一段向下無限延伸的充有介質(zhì)的傳導區(qū)，上段是錐形結(jié)構(gòu)的微米區(qū)及亞波長的圓形開口。采用基于三維時域有限差分法和麥克斯韋應(yīng)力張量的近場梯度力計算方法進行仿真，可獲得三維方向上梯度力的分布情況與各平面上的近場分布特性。計算中纖芯1為二氧化硅，光纖外層的金屬膜2為鋁層，納米微粒3為聚苯乙烯小球。光纖探針出射孔直徑為400nm，金屬膜層2厚140nm，錐角取90°，纖芯1折射率為1. 5，探針置于折射率為1. 32的介質(zhì)中，半徑為IOnm的納米微粒3 置于針尖附近，微粒3折射率為1.8。光纖探針針尖孔徑中心設(shè)為坐標原點，激光的入射方向和偏振方向如K和E所示。入射光取波長為808nm的均勻平面波，沿y方向偏振并沿_z 方向從光纖探針的大端入射，各電場分量分別為Ex = Ez = 0，Ey = -8. 85X 105V/m。所需計算的整個三維空間劃分為320X315X210個網(wǎng)格單元陣列，每個單元格在xyz坐標方向的網(wǎng)格空間步長分別為Δχ= Ay= Δζ = 3ηπι，時間步長為At= Δ x/2c，其中c為真空中的光速。納米微粒3在近場中各軸向上的梯度力分布如圖1B、圖IC和圖ID所示。從計算結(jié)果可以看出，當直徑很小的納米微粒3置于離探針出射孔非常近的y向孔徑邊緣區(qū)域時， 它在梯度力的作用下將被捕獲至孔徑邊緣處，而當微粒3置于針尖近場的其他區(qū)域時，它將向探針軸線運動，并最終被捕獲到針尖中心表面處。對于直徑較大的納米微粒3，它將始終向探針軸線運動，并最終捕獲至針尖中心表面。納米微粒3在光纖探針針尖處的捕獲位置如圖IE所示。圖IF為光纖探針各橫截面內(nèi)近場光強沿χ軸和y軸的分布情況。從數(shù)值計算結(jié)果可知光場沿χ軸和沿y軸的分布圖樣不具有圓周對稱性，隨著與出射孔距離的增加，y軸方向上的近場分布由雙峰形狀到三極點形狀，最終過渡到單峰形狀，而χ軸方向上近場分布始終保持為單峰形狀。綜上所述，納米微粒3能穩(wěn)定捕獲并約束于光強極點附近， 微粒3在近場區(qū)域的排列形狀與近場光強分布保持一致，可以反映出光纖探針近場區(qū)域的光強分布情況。圖2為棱鏡全內(nèi)反射隱失場探測中微粒的捕獲位置與近場光強分布。數(shù)值計算模型如圖2A所示，線性偏振激光束以大于臨界角的角度對稱入射，在棱鏡4上表面處產(chǎn)生相干隱失場。計算中棱鏡4折射率為1. 5，半徑為IOOnm的納米微粒5置于棱鏡4上表面，微粒5折射率為1.8。棱鏡4上表面中心設(shè)為坐標原點，激光的入射方向和偏振方向如K和E所示。入射光取波長為808nm的均勻平面波，各電場分量分別為Ex = Ez = 0，Ey =-8. 85X 105V/m。納米微粒5在近場中沿y向和ζ向的梯度力分布如圖2Β和圖2C所示。 從計算結(jié)果可以看出，微粒5在隱失場中受到的y向梯度力隨距離棱鏡4表面高度的增大而遞減，梯度力沿ζ軸方向的變化則呈現(xiàn)正弦變化趨勢。當納米微粒5置于棱鏡4上時，它在梯度力的作用下將吸附于表面上，并沿ζ軸方向按固定距離被捕獲至表面各點，最終沿χ 軸方向形成陣列形狀。納米微粒5在棱鏡4上表面處的捕獲位置如圖2D所示。圖2E為棱鏡4上表面內(nèi)近場光強沿χ軸和ζ軸的分布情況。從數(shù)值計算結(jié)果可知，光場沿χ軸和沿 Z軸的分布圖樣不具有對稱性，X軸和Z軸方向上的近場均呈現(xiàn)余弦狀分布，沿Z向出現(xiàn)穩(wěn)定間隔的光強極點。相比ζ向近場光強余弦形的分布特性，χ軸方向上近場光強變化幅度很小，大小幾乎保持不變。綜上所述，納米微粒5能穩(wěn)定捕獲于光強極點附近，在近場區(qū)域所形成的排列圖案與近場光強分布保持一致，通過微粒5的排列形狀能探測出棱鏡4上表面相干隱失場的光強分布。實施例1 采用光纖探針捕獲納米微粒形成排列形狀的方法實現(xiàn)近場分布的探測。該方法結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，結(jié)合圖3詳細說明近場探測方法的具體步驟如下半導體激光器6由保偏尾纖7輸出后加法蘭可調(diào)光衰減器8，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動源電流和功率衰減器8來調(diào)節(jié)功率，接著經(jīng)光纖偏振旋轉(zhuǎn)器9調(diào)整偏振方向，隨后由光纖分路器10 分出一束激光給光纖功率計11作功率監(jiān)測，另一束通過光纖適配器12與單模近場光纖探針13連接?？紤]到后向反射光對光源功率穩(wěn)定性的影響，光學器件連接部分采用APC型接頭方式，而在近場光纖探針13的入射端，通過熱融焊接的方式進行低損耗耦合。在載波片 M表面用膠形成一個半封閉腔，將蓋波片25放在半封閉腔上，使其與空腔表面緊密粘和。 之后吸取少量聚苯乙烯小球3溶液，利用毛細現(xiàn)象將溶液吸入蓋波片25與載波片M之間， 形成操作用的樣品池17。然后采用激光掃描共聚焦顯微鏡15的粗調(diào)系統(tǒng)粗略地選擇樣品池17內(nèi)密度和分散度合適的微粒區(qū)域，接著利用微進給系統(tǒng)將焦平面逼近聚苯乙烯小球 3，對單層納米微粒進行精確定位。確定好聚苯乙烯小球3的選擇定位后，在激光掃描共聚焦顯微鏡15的監(jiān)控下，利用三維調(diào)整臺14調(diào)節(jié)好光纖探針13的插入角度與位置，并將光纖探針13和蓋玻片25的距離縮小到近場范圍以適于納米操作。隨后調(diào)整半導體激光器6 的輸出功率，使光纖探針13針尖處增強隱失場產(chǎn)生的梯度力適于操作微粒。激光器21發(fā)出的激光經(jīng)聚苯乙烯小球3反射后進入物鏡18，通過檢測分光鏡19和透鏡20由檢測器22 進行探測，監(jiān)視器23實時顯示捕獲結(jié)果。通過光纖偏振旋轉(zhuǎn)器9調(diào)整激光束的偏振狀態(tài)， 根據(jù)聚苯乙烯小球3的捕獲形狀對光纖探針13端口處的近場光強分布進行定性探測。實施例2 采用棱鏡全內(nèi)反射相干隱失場捕獲納米微粒的方法實現(xiàn)近場分布的探測。該方法結(jié)構(gòu)示意圖4所示，結(jié)合圖4詳細說明相干隱失場探測的具體步驟如下首先將稀釋的聚苯乙烯小球5溶液吸附到棱鏡4表面，并在頂上放置一塊蓋玻片 25，然后采用激光掃描共聚焦顯微鏡15的粗調(diào)系統(tǒng)粗略地選擇棱鏡4上表面密度和分散度合適的微粒區(qū)域，接著利用微進給系統(tǒng)將焦平面逼近聚苯乙烯小球5，對單層納米微粒進行精確定位。激光器沈發(fā)出的線偏振激光束經(jīng)過擴束透鏡組27后進入半波片觀進行偏振狀態(tài)的調(diào)整，之后通過反射鏡四進入光束分路器30實現(xiàn)激光分束。兩束激光通過反射鏡組四以大于臨界角的角度入射至棱鏡4上表面處并分別發(fā)生全內(nèi)反射，調(diào)整激光器沈的輸出功率，使棱鏡4上表面形成的相干隱失場對聚苯乙烯小球5進行操作。激光器21發(fā)出的激光經(jīng)微粒反射后進入物鏡18，通過檢測分光鏡19和透鏡20由檢測器22進行探測，監(jiān)視器23實時顯示操作結(jié)果。通過半波片觀調(diào)整入射激光束的偏振狀態(tài)，根據(jù)聚苯乙烯小球5的排列形狀對棱鏡4上表面處近場光強分布進行定性探測。
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權(quán)利要求
1.一種利用納米微粒排列形狀測量近場光強分布的方法，其特征在于，使激光與精細結(jié)構(gòu)的表面相互作用獲得近場局域光場，利用隱失場對納米微粒的光梯度力來實現(xiàn)捕獲和移動操作，同時利用水中周期排列的直徑為納米級的單層微粒來模擬精細結(jié)構(gòu)近場范圍內(nèi)的光強分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的精細結(jié)構(gòu)采用尖端具有納米孔徑的鍍金屬膜光纖探針或具有激光對稱照明的棱鏡表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述的尖端具有納米孔徑的鍍金屬膜光纖探針是由光纖/硅/氮化硅材料制成，尖端具有直徑小于入射波長的通光小孔，該孔徑光纖探針是在單?；蚓哂刑荻日凵渎实穆愎饫w探針的尖端錐面上鍍一層金屬膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述的具有激光對稱照明的棱鏡表面是光學棱鏡的上表面，激光束從棱鏡的下表面對稱入射。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的納米微粒是由聚苯乙烯膠體制成， 用超濾蒸餾水稀釋經(jīng)超聲波水浴振蕩混合均勻后，形成操作用的聚苯乙烯小球懸浮液。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的激光與精細結(jié)構(gòu)的表面相互作用的步驟在采用光纖探針的情況下包括將激光耦合進光纖探針，在探針的尖端形成沿三維方向迅速衰減的邊緣增強隱失場；在采用棱鏡表面的情況下包括將激光束以大于臨界角的角度對稱入射，在棱鏡上表面處產(chǎn)生相干隱失場。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，當激光束的波長和偏振狀態(tài)改變時，被捕獲的納米微粒也隨之移動，隨著微粒排列圖案的改變，精細結(jié)構(gòu)表面的近場光強分布能得到實時的檢測。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，利用激光掃描共聚焦顯微鏡的信號處理和顯示系統(tǒng)實時地觀測微粒的排列形狀，對近場光強分布實現(xiàn)精確的測量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-3、5-8中的一項所述的方法，其特征在于，采用光纖探針型近場探測步驟包括粗選微粒區(qū)采用激光掃描共聚焦顯微鏡的粗調(diào)系統(tǒng)粗略地選擇密度和分散度合適的納米微粒區(qū)域；精確定位微粒采用激光掃描共聚焦顯微鏡的微進給系統(tǒng)將焦平面逼近納米微粒，對單層納米微粒進行精確定位；調(diào)整激光功率將調(diào)節(jié)好位置和角度的光纖探針移入視場后，調(diào)整激光器的輸出功率， 使光纖探針尖端局域隱失場產(chǎn)生的梯度力適于操作納米微粒；近場分布的實時探測捕獲納米微粒后調(diào)整激光束的偏振狀態(tài)，使光纖探針針尖表面的納米微粒隨之作同步移動，利用激光掃描共聚焦顯微鏡的信號處理和顯示系統(tǒng)實時監(jiān)控微粒的排列形狀，對光纖探針尖端近場光強分布實現(xiàn)精確的探測。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-2、4-8中的一項所述的方法，其特征在于，采用棱鏡全內(nèi)反射型近場探測步驟包括粗選微粒區(qū)采用激光掃描共聚焦顯微鏡的粗調(diào)系統(tǒng)粗略地選擇密度和分散度合適的納米微粒區(qū)域；精確定位微粒采用激光掃描共聚焦顯微鏡的微進給系統(tǒng)將焦平面逼近納米微粒，對單層納米微粒進行精確定位；調(diào)整激光功率將激光束以大于臨界角的角度對稱入射后，調(diào)整激光器的輸出功率，使棱鏡上表面局域隱失場產(chǎn)生的梯度力適于操作納米微粒；近場分布的實時探測捕獲納米微粒后調(diào)整激光束的偏振狀態(tài)，使棱鏡上表面的納米微粒隨之作同步移動，利用激光掃描共聚焦顯微鏡的信號處理和顯示系統(tǒng)實時監(jiān)控微粒的排列形狀，對棱鏡上表面近場光強分布實現(xiàn)精確的探測。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用納米微粒的排列形狀對近場光強分布進行測量的方法。它是一種利用隱失場所產(chǎn)生的強梯度力來操作納米微粒，根據(jù)操作后產(chǎn)生的排列圖案探測近場光強分布的方法。將納米微粒置于精細結(jié)構(gòu)的近場區(qū)域后，迅速衰減的隱失場能提供捕獲微粒所需的梯度力，以實現(xiàn)納米微粒穩(wěn)定高效的捕獲操作。近場區(qū)域內(nèi)形成的三維光阱能平衡外界干擾力，將納米微粒穩(wěn)定捕獲并約束于光強極點附近，因此微粒最終排列形成的圖案形狀能反映出精細結(jié)構(gòu)近場區(qū)域的光強分布。利用納米微粒在近場區(qū)域的排列形狀，可實現(xiàn)精細結(jié)構(gòu)表面近場光強的精確探測。
文檔編號G01J1/58GK102261954SQ20111010435
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者劉炳輝, 楊立軍, 王揚 申請人:哈爾濱工業(yè)大學