基于纳米天线阵列结构的光学捕获和输运技术研究

摘要

光镊是在生物实验室中经常被用到的一种工具，它被广泛应用于捕获和操控生物细胞、胶状材料等微小粒子。但受制于光的衍射极限，传统意义上的光镊难以操控尺寸比光波长小的纳米尺度的粒子。而基于金属表面等离子体效应的光学操控方法，得益于其电子共振产生的强大的梯度场，可以用于实现纳米尺度微粒的稳定的光学捕获。在此基础上，通过对微纳等离子金属结构的独特设计，可以在一定范围内实现对纳米尺寸粒子的稳定输运。
　　本论文设计了一种包含四对长度递增的金天线的微纳阵列结构，可以通过改变入射光的波长，使每一对天线交替达到共振状态，继而使得纳米尺度的粒子能够在相邻天线的共振场之间实现一定距离内的稳定输运。本论文的工作主要包括以下两个方面:
　　(1)设计了包含四对长度递增的金纳米天线的阵列结构，使得这四对金纳米天线有不同的等离子体共振波长。通过有限元方法仿真发现，四对天线之间存在着相互耦合和抑制的作用，在共振波长处表现的尤为明显，这样的光学特性使得此结构适合应用于粒子输运。
　　(2)在已设计结构的基础上，对于粒径为90nm的粒子，利用有限元方法仿真计算，结合麦克斯韦应力张量法，计算其在各个位置处的受力情况，判断其运动轨迹，描述粒子能够被稳定输运的范围。通过对束缚势阱的计算，证明粒子可以克服布朗运动的影响，实现一定范围内的稳定输运。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 传统光镊的概念、发展及局限性

1．2 基于金属表面等离子共振效应的光学捕获

1．3 选题内容和章节安排

第二章 理论基础

2．1 金属自由电子气的Drude模型

2．2 等离子体振荡

2．3 麦克斯韦应力张量法及光力的势阱计算

2．4 电磁场仿真方法

2．4．1 计算机模拟和有限元法简介

2．4．2 仿真误差及精确性

2．5 本章小结

第三章 金纳米天线阵列结构的设计

3．1 单个金纳米天线结构

3．2 金纳米天线阵列结构

3．2．1 金天线长度对场增强的影响

3．2．2 金天线厚度对场增强的影响

3．2．3 金天线宽度对场增强的影晌

3．2．4 金天线中间区域的间隔对场增强的影响

3．2．5 相邻两对天线之间的间隔对场增强的影响

3．3 金纳米天线阵列结构的仿真

3．4 本章小结

第四章 纳米尺度粒子受力和势阱分析

4．1 粒子位于阵列结构中间线时的情况

4．2 粒子偏离阵列结构中间线时的情况

4．3 对于粒子被稳定捕获范围的描绘

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 展望

致谢

参考文献

作者简介