基於光微流環形諧振腔的納米生物光鑷技術研究

《基於光微流環形諧振腔的納米生物光鑷技術研究》是依託復旦大學，由吳翔擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於光微流環形諧振腔的納米生物光鑷技術研究
• 依託單位：復旦大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：吳翔

項目摘要

基於回音壁模式的光學環形諧振腔是有望實現對納米尺度生物分子進行光學操縱的近場光學器件之一。然而，現有的環形諧振腔構型由於其光場非定域性的局限而無法實現光鑷技術必備的定域操縱功能。本項目基於申請人過去幾年在回音壁模式微腔研究成果的基礎上，提出光微流環形諧振腔光鑷構型，突破現有構型的非定域性操縱這一技術瓶頸，並結合微流和高品質因子光學微腔的優點，實現低功耗、100 納米尺度之內的生物分子光鑷技術。本項目將研究可以實現定域操縱的回音壁模式駐波光場模型，研究晶片式和微泡式這兩種環形諧振腔光鑷的設計和製備工藝，並系統地研究環形諧振腔光鑷對介質顆粒、病毒以及蛋白質分子的操縱性能。本項申請的研究結果有望解決納米量級生物分子定域操縱的難題，為光學近場操縱提供一種新的思路和技術。

結題摘要

基於回音壁模式的光學環形諧振腔是有望實現對納米尺度生物分子進行光學操縱的近場光學器件之一。然而，現有的環形諧振腔構型由於其光場非定域性的局限而無法實現光鑷技術必備的定域操縱功能。 本項目突破現有構型的非定域性操縱這一技術瓶頸，取得以下研究成果： 提出了基於微泡式WGM微腔的光學操控方案。微泡腔中空結構形成的微流通道可以為光學操控提供極佳的平台；對於薄壁微泡腔，高階徑向回音壁模式的大部分模場可以滲透到泡內區域，光場可以與在該區域內的顆粒發生直接相互作用，從而提高了光場的利用率；在考慮顆粒誘導的共振失諧效應對光場力的影響的前提下，分析了顆粒在光場中受到的光場力隨著顆粒在光場中移動時的變化關係和顆粒在微泡腔內的受力情況，為微泡腔內光學操控的實現提供了指導。 首次提出通過在腔內形成駐波場來實現“定域化”光學操控的方案。兩束同一頻率的相干光以相反的方向耦合進微腔並且在腔內相互干涉從而形成駐波場，則顆粒會被束縛在駐波場的某個波峰位置；並且通過改變入射光的相位和波長可以控制被束縛顆粒在腔內的位置，並可實現位置可控的“定域化”操控。 在以上工作的基礎上，首次提出了微腔內非共振模式-光子納米噴射(Photonics nanojets, 簡稱PNJ)的“定域化”操控方案。PNJ具有小於衍射極限的橫向束腰半徑以及較為狹長的軸向光場分布，因此它可以提供較高的光梯度力以及腔外長距離的操控平台，並且在較寬的波長範圍內都會保證模場的形狀不變，顆粒的引入不會對光場造成比較大的影響。引入兩束相同但是傳播方向相反的PNJ，從而形成駐波型PNJ來實現“定域化”操控；同時採用雙層微腔結構可以產生加長型的PNJ來延長對顆粒的可操控平台，通過控制入射光相位實現對顆粒的輸運功能。 本項目的研究結合微流和高品質因子光學微腔的優點， 可以實現100 納米以下的生物分子光鑷技術,解決環形微腔對納米量級生物分子的定域操縱難題，為光學近場操縱技術提供新的思路和技術路線。