專(zhuān)利名稱(chēng):一種激光近場(chǎng)光鑷與afm探針相復(fù)合的納米操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于近場(chǎng)光學(xué)和納米操作領(lǐng)域，特別涉及一種激光近場(chǎng)光鑷與AFM探針相 復(fù)合的納米操作方法。
背景技術(shù)：
自從1990年美國(guó)圣荷塞IBM公司的Almaden研究中心的D.Eigler等人首次實(shí)現(xiàn) 原子搬遷以來(lái)，納米操作開(kāi)始引起學(xué)者的關(guān)注。納米操作是指通過(guò)外力施加和傳感反饋實(shí) 現(xiàn)對(duì)納米尺度的物體推拉、定位、剪切等操作。近幾年來(lái)納米結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)電連接，以及納 米電子器件和外電路的鏈接封裝使精確的納米操作技術(shù)越來(lái)越重要。目前納米操作技術(shù)得 到各發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視并已獲得了一定的進(jìn)展，借助于納米操作技術(shù)，人們可以隨意加 工和組裝出三維MEMS元件、操作微小生物對(duì)象、或是移動(dòng)微機(jī)器人系統(tǒng)。 現(xiàn)有的納米操作裝置一般采用掃描探針顯微鏡(SPM)和激光光鑷。以STM為核心 的納米操作系統(tǒng)主要用于原子和分子的操作，以AFM為核心的納米操作系統(tǒng)則可對(duì)平面上 納米對(duì)象進(jìn)行機(jī)械操作，如操作納米粒子、碳納米管，進(jìn)行納米壓印等，也可以對(duì)生物對(duì)象 進(jìn)行操作。由于AFM可在各種環(huán)境中成像，因此這種系統(tǒng)在納米科技研究中具有廣泛的應(yīng) 用。雖然基于SPM的納米操作系統(tǒng)構(gòu)建相對(duì)容易，但單探針只能完成簡(jiǎn)單的二維操作，極大 地限制了其柔性工作能力?；诩す夤忤嚨募{米操作系統(tǒng)具有非接觸、無(wú)損傷地操作微納 尺度粒子的特性。傳統(tǒng)光鑷?yán)霉馀c物質(zhì)相互作用表現(xiàn)出的動(dòng)量傳遞力學(xué)效應(yīng)而形成的三 維梯度光學(xué)勢(shì)阱來(lái)捕獲微粒，目前已有成熟的理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，在生物學(xué)和表面科學(xué)等領(lǐng) 域得到了廣泛的應(yīng)用，但由于受到光學(xué)衍射極限的限制，傳統(tǒng)光鑷都不能捕獲更小的微粒。 最近發(fā)展起來(lái)的近場(chǎng)光鑷突破衍射極限，利用探針尖附近隱失場(chǎng)形成的局域增強(qiáng) 場(chǎng)所產(chǎn)生的強(qiáng)梯度力能實(shí)現(xiàn)對(duì)幾十納米至幾納米微粒的捕獲。光纖探針型近場(chǎng)光鑷借助外 界輔助克服外界干擾力(如重力和布朗運(yùn)動(dòng)力)可實(shí)現(xiàn)樣品微粒的穩(wěn)定操作，當(dāng)利用多個(gè) 近場(chǎng)探針對(duì)樣品施以不同的梯度力時(shí)，更可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的納米操作。該方法比傳統(tǒng)光鑷更加 靈活，光纖探針深人樣品池中增大了粒子的操作范圍，操作精度也從微米級(jí)發(fā)展至納米級(jí)， 但目前該方法還僅限于理論上的數(shù)值模擬研究，近場(chǎng)光纖探針極低的通光效率阻礙了其發(fā) 展，偏弱的隱失場(chǎng)導(dǎo)致近場(chǎng)光鑷在液體中操作起來(lái)很困難，更難以在真空或空氣中有選擇 性地捕獲納米粒子。此外，近場(chǎng)光鑷對(duì)單個(gè)納米微粒的觀測(cè)和定位目前主要是通過(guò)測(cè)量散 射光的強(qiáng)弱變化來(lái)判斷粒子是否被捕獲，這種方法往往只能對(duì)一群納米粒子的狀況加以判 斷，并不適合對(duì)單個(gè)納米粒子進(jìn)行觀測(cè)和定位。因?yàn)闊o(wú)法直接觀察，尋找并直接定位納米粒 子就比較困難，因此要想實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)光鑷對(duì)單個(gè)納米粒子的操作，就必須解決單個(gè)納米粒子 的精確觀測(cè)與定位問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為克服近場(chǎng)光鑷和AFM操作系統(tǒng)的不足，集成近場(chǎng)光鑷與AFM 操作系統(tǒng)各自?xún)?yōu)點(diǎn)，提出一種激光近場(chǎng)光鑷與AFM探針相復(fù)合的納米操作方法，運(yùn)用該方
4法對(duì)納米微粒進(jìn)行有效、精確的操作與觀測(cè)，使之既具有足夠高的分辨率又能實(shí)現(xiàn)高效靈 活的操作。
本發(fā)明提出的激光近場(chǎng)光鑷與AFM探針相復(fù)合的納米操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括光纖 探針型近場(chǎng)光鑷和AFM系統(tǒng)光纖探針型近場(chǎng)光鑷包括激光器、半波片、偏振光束分路器、 光束分路器、發(fā)射光功率檢測(cè)焦耳計(jì)、物鏡和光纖耦合器、激光器使用光纖、XYZ三維操作臺(tái) 及間距測(cè)控器；AFM系統(tǒng)包括粗調(diào)系統(tǒng)、掃描微進(jìn)給系統(tǒng)、帶顯示器的主機(jī)、控制電路、壓電 陶瓷掃描管、樣品室、探頭、半導(dǎo)體激光器、調(diào)準(zhǔn)鏡及四象限位置檢測(cè)器。該納米操作方法利 用AFM系統(tǒng)樣品室與外部的接口將光纖探針型近場(chǎng)光鑷引入樣品室后，借助三維調(diào)整臺(tái)對(duì) 光纖激光束入射至AFM針尖的角度進(jìn)行校正調(diào)整，之后通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制壓電陶瓷掃描 管使樣品室在平面X軸和Y軸方向上移動(dòng)，調(diào)整AFM探針并使光纖探針隨之作同步移動(dòng)進(jìn) 行操作，同時(shí)利用AFM系統(tǒng)的微機(jī)信號(hào)處理和顯示系統(tǒng)對(duì)操作過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。 本發(fā)明提出的激光近場(chǎng)光鑷與AFM探針相復(fù)合的納米操作方法要實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)梯度 力形成、納米操作和實(shí)時(shí)監(jiān)控與觀測(cè)三部分功能，能用于活體生物微粒的捕獲或納米微粒 的操作與組裝。因?yàn)榧す馀c多個(gè)近場(chǎng)探針相互作用后會(huì)產(chǎn)生近場(chǎng)局域耦合增強(qiáng)光場(chǎng)，因此 本發(fā)明提出的復(fù)合納米操作方法不僅能實(shí)現(xiàn)納米微粒的捕獲和轉(zhuǎn)移交接，還可對(duì)捕獲微粒 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)等空間狀態(tài)的調(diào)節(jié)，利用AFM系統(tǒng)的納米級(jí)分辨率可實(shí)現(xiàn)納米操作過(guò)程的 精確觀測(cè)與定位。與常規(guī)遠(yuǎn)場(chǎng)光鑷系統(tǒng)相比，本發(fā)明提出的復(fù)合納米操作系統(tǒng)不僅成本低， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易安裝，而且還可以方便地修改光阱位置和強(qiáng)度，能大大提高近場(chǎng)光鑷的捕獲效 率和捕獲功能，使近場(chǎng)光鑷的實(shí)驗(yàn)研究得到新的突破。
實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)光學(xué)納米操作的基本原理是利用探針尖附近局域增強(qiáng)隱失場(chǎng)產(chǎn)生的強(qiáng) 梯度力來(lái)捕獲納米微粒。處于不均勻光場(chǎng)中的納米粒子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(yùn)動(dòng)力)的影響，當(dāng)光場(chǎng)形成的梯度力大于外界干擾力時(shí)，對(duì)納米 微粒起主導(dǎo)作用的梯度力將微粒捕獲在光強(qiáng)極點(diǎn)附近，在針尖處形成由光學(xué)梯度場(chǎng)產(chǎn)生的 光阱。納米微粒受到的光梯度力方向可根據(jù)光動(dòng)力學(xué)原理來(lái)判斷，梯度力大小可由時(shí)域有 限差分法和麥克斯韋應(yīng)力張量積分計(jì)算出來(lái)。對(duì)于確定的粒子，探針尖端必須產(chǎn)生足夠強(qiáng) 的梯度力才能將粒子穩(wěn)定地束縛在光阱中。
為獲得足夠強(qiáng)的梯度力，激光照明金屬探針引起的尖端近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)在納米操作 中得到了廣泛應(yīng)用。常規(guī)的聚焦光束照明方法容易使針尖受熱膨脹而污染、損傷樣品，同時(shí) 激光的直接照射也容易破壞樣品表面和AFM器件(如AFM微懸臂等)。根據(jù)近場(chǎng)光學(xué)理論， AFM探針在隱失場(chǎng)的照明下也可實(shí)現(xiàn)尖端近場(chǎng)增強(qiáng)。利用近場(chǎng)光鑷中光纖探針產(chǎn)生的隱失 場(chǎng)照明AFM針尖，不僅能準(zhǔn)確地從AFM探針前部引入激光束，避免樣品和AFM器件的損傷， 同時(shí)多近場(chǎng)探針間的耦合場(chǎng)還能改善近場(chǎng)光鑷的納米操作效果。在光纖探針隱失場(chǎng)的照射 下，曲率半徑為納米量級(jí)的AFM探針尖表面中特定直徑的金屬微粒會(huì)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)生局域近場(chǎng)增強(qiáng)，該增強(qiáng)場(chǎng)能 克服光纖探針型近場(chǎng)光鑷的隱失場(chǎng)偏弱問(wèn)題。
禾I」用本發(fā)明提出的方法，可以將AFM探針置于光纖探針的近場(chǎng)區(qū)域，利用AFM探針 的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)來(lái)克服近場(chǎng)光鑷中光纖探針出射功率低、隱失場(chǎng)偏弱的問(wèn)題，由AFM探針局 域增強(qiáng)光場(chǎng)與光纖探針出射光場(chǎng)耦合后形成的三維穩(wěn)定光阱可平衡外界干擾力，從而實(shí)現(xiàn) 納米微粒的穩(wěn)定操作。當(dāng)采用雙光纖探針和AFM探針組成多近場(chǎng)探針時(shí)，AFM探針與雙光
5纖探針間的耦合場(chǎng)也能形成穩(wěn)定的三維梯度力光阱，通過(guò)改變雙光纖探針與樣品間的空間 位置、移動(dòng)方向和激光功率等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)納米微粒的捕獲、移動(dòng)、釋放、拉伸和扭轉(zhuǎn)等復(fù) 雜三維操作。在納米操作過(guò)程中利用AFM的信號(hào)處理和顯示系統(tǒng)可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與觀測(cè)， 精確地實(shí)現(xiàn)納米微粒的觀測(cè)與定位。本發(fā)明提出的復(fù)合納米操作方法能適應(yīng)更多和更小尺 寸的生物細(xì)胞、生物分子與納米微粒非接觸、無(wú)損傷的納米操作需求，可擴(kuò)大激光納米操作 技術(shù)在生命科學(xué)與表面科學(xué)中的應(yīng)用范圍。
針對(duì)本發(fā)明提出的激光近場(chǎng)光鑷與AFM探針相復(fù)合的納米操作方法，光纖探針型 近場(chǎng)光鑷系統(tǒng)包括激光光源、光耦合器和近場(chǎng)探針來(lái)形成近場(chǎng)局域光場(chǎng)。近場(chǎng)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?；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，尖端具有直徑小于100 納米的通光小孔。為實(shí)現(xiàn)復(fù)合工作，系統(tǒng)應(yīng)具備光纖探針與AFM探針之間相對(duì)位置的控制 機(jī)構(gòu)，如間距控制和三維調(diào)整臺(tái)等。光纖探針型近場(chǎng)光鑷經(jīng)AFM系統(tǒng)樣品室與外部的接口 引入樣品室，各個(gè)功能的機(jī)構(gòu)可以獨(dú)立，也可以互相交錯(cuò)。
本發(fā)明提出的激光近場(chǎng)光鑷與AFM探針相復(fù)合的納米操作方法具體可包括探針 復(fù)合與目標(biāo)選擇定位及納米操作兩部分，所說(shuō)的探針復(fù)合與目標(biāo)選擇定位包括以下步驟
(1)首先采用AFM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；
(2)之后通過(guò)AFM的掃描微進(jìn)給系統(tǒng)將AFM探針逼近納米微粒，對(duì)單個(gè)納米微粒進(jìn) 行精確定位；
(3)確定好納米微粒的選擇定位后，利用三維調(diào)整臺(tái)將光纖探針和AFM探針的距 離縮小到近場(chǎng)范圍，在微逼近過(guò)程中采用間距測(cè)控器使二者保持一定的近場(chǎng)距離以適于納 米操作；
所說(shuō)的納米操作包括以下步驟
(1)將復(fù)合探針移動(dòng)到待操作納米微粒處后，調(diào)整激光器的輸出功率，使光纖探針 與AFM探針的耦合增強(qiáng)場(chǎng)產(chǎn)生的梯度力適于操作樣品；
(2)接著調(diào)整光纖探針的位置使之適于實(shí)現(xiàn)特定動(dòng)作，捕獲納米微粒后調(diào)整AFM 探針并使光纖探針隨之作同步移動(dòng)；
(3)之后利用AFM信號(hào)處理和顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控與觀測(cè)操作結(jié)果，對(duì)納米微粒實(shí) 現(xiàn)精確的觀測(cè)與定位；
(4)最后將納米微粒移動(dòng)到設(shè)定位置后調(diào)整激光功率，減小梯度力在新位置釋放 納米微粒。
本發(fā)明提出的這種激光近場(chǎng)光鑷與AFM探針相復(fù)合的納米操作方法具有如下主 要特征
(1)光纖探針型近場(chǎng)光鑷與AFM探針相復(fù)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于調(diào)整、成本低；
(2)由于近場(chǎng)光纖光強(qiáng)極點(diǎn)不在光束焦點(diǎn)處，所以捕獲點(diǎn)十分容易觀察；
(3)近場(chǎng)光纖深入到樣品室的微探頭結(jié)構(gòu)在樣品池里形成光阱，增大了捕獲和操
作的范圍，同時(shí)被捕獲的納米微?？梢宰杂梢苿?dòng)，提高了操作的靈活度；
(4)采用AFM系統(tǒng)的微機(jī)信號(hào)處理和顯示系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)納米操作的監(jiān)測(cè)，與傳統(tǒng)
的通過(guò)測(cè)量散射光強(qiáng)弱變化來(lái)判斷粒子定位的方法不同；
(5)捕獲系統(tǒng)與觀測(cè)系統(tǒng)分離，對(duì)系統(tǒng)中增加激光計(jì)量和光譜儀等設(shè)備有較大的自由度。
本發(fā)明提出的這種激光近場(chǎng)光鑷與AFM探針相復(fù)合的納米操作方法具有如下優(yōu)點(diǎn)
(1)克服近場(chǎng)光鑷中光纖探針隱失場(chǎng)偏弱、梯度力不足的問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)納米微粒的穩(wěn)定操作，為近場(chǎng)光鑷的實(shí)驗(yàn)研究帶來(lái)新的突破；
(2)集成激光近場(chǎng)光鑷與AFM探針操作的優(yōu)點(diǎn)，可完成納米微粒的捕獲、移動(dòng)、釋放、拉伸和扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜三維操作，彌補(bǔ)AFM系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更小尺度的操作但選擇性不如激光近場(chǎng)光鑷的缺點(diǎn)，極大地提高納米操作系統(tǒng)的柔性工作能力；
(3)操作方便，可實(shí)時(shí)監(jiān)控與觀測(cè)納米操作過(guò)程，準(zhǔn)確地判斷納米粒子是否被捕獲，既具精細(xì)的結(jié)構(gòu)分辨能力又能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)操作與功能研究；
(4)操作過(guò)程可以避免樣品和AFM系統(tǒng)器件的損傷，操作與控制機(jī)構(gòu)均由現(xiàn)有納米操作系統(tǒng)復(fù)合而成，結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)要求不高，成本較低，維修方便。


圖1為激光近場(chǎng)光鑷與AFM探針相復(fù)合的近場(chǎng)局域光場(chǎng)分布l-纖芯；2-金屬膜；
3-截?cái)鄥^(qū)；4-錐形針尖；
圖2為激光近場(chǎng)光鑷與AFM探針相復(fù)合的近場(chǎng)操作示意圖5-AFM探針；6_光纖探針；7_納米微粒；8-樣品池；
圖3為單光纖探針型近場(chǎng)光鑷與AFM探針相復(fù)合的結(jié)構(gòu)示意圖9-氦氖激光器；10-半波片；ll-偏振光束分路器；12-光束分路器；13-功率檢測(cè)焦耳計(jì)；14_光纖耦合器；15-三維調(diào)整臺(tái)；16-AFM信號(hào)處理和顯示系統(tǒng)；17-反饋電路；18-壓電陶瓷掃描管；19-樣
品室；20-半導(dǎo)體激光器；21-檢測(cè)器；22-間距測(cè)控器；23_硅懸臂梁；
圖4為雙光纖探針型近場(chǎng)光鑷與AFM探針相復(fù)合的原理結(jié)構(gòu)圖24-光纖探針；25-間距測(cè)控器；26-三維調(diào)整臺(tái)；27-調(diào)準(zhǔn)鏡。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明
圖1為激光近場(chǎng)光鑷與AFM探針相復(fù)合的近場(chǎng)局域光場(chǎng)分布。數(shù)值計(jì)算模型如圖l(a)所示，該圖為復(fù)合探針的剖面圖，光纖探針的左段可視為一段向左無(wú)限延伸的充有介質(zhì)的傳導(dǎo)區(qū)，右段是錐形結(jié)構(gòu)的微米區(qū)及亞波長(zhǎng)的圓形開(kāi)口 ， AFM探針取有限長(zhǎng)圓錐形銅探針。采用三維時(shí)域有限差分方法進(jìn)行仿真計(jì)算，可獲得復(fù)合探針各平面上的光傳播特性與近場(chǎng)分布特性，如圖l(b) (c) (d)所示。計(jì)算中纖芯1為二氧化硅，光纖外層的金屬膜2為鋁層，有限長(zhǎng)AFM探針截?cái)鄥^(qū)3為二氧化硅材料，錐形針尖4為銅，計(jì)算中金屬導(dǎo)電率均設(shè)為無(wú)限大。光纖探針針尖孔徑中心設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，入射光取波長(zhǎng)為632. 8nm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(chǎng)分量分別為Ex = Ez = 0，Ey = -IV/m。所需計(jì)算的整個(gè)三維空間劃分為120X178X101個(gè)網(wǎng)格單元陣列，每個(gè)單元格在XYZ坐標(biāo)方向的網(wǎng)格空間步長(zhǎng)分別為Ax= Ay= AZ = 10nm，時(shí)間步長(zhǎng)為At= Ax/2c，其中c為真空中的光速。光纖探針出射孔直徑為200nm，金屬膜層2厚140nm，錐角取90。 ， AFM探針錐形針尖4長(zhǎng)600nm，截?cái)鄥^(qū)3半徑為275nm，光纖探針和AFM探針在Z軸上的間距取150nm，入射角為90° 。復(fù)合探針?lè)謩e在x = 0、y = 0和z = _150nm平面內(nèi)的電場(chǎng)分布如圖1(b) (c) (d)所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，激光向光纖探針針尖傳播過(guò)程中很大部分被金屬膜向內(nèi)反射并與入射光疊加，在探針內(nèi)部沿軸線方向形成很強(qiáng)的駐波場(chǎng)，截止面將光纖探針內(nèi)部光場(chǎng)分成了兩部分，探針中直徑大于截止直徑的部分為波疊加形成的駐波圖樣，另一部分通過(guò)截止面以指數(shù)衰減形式傳出去，在光纖探針孔徑邊緣處表現(xiàn)出較弱的場(chǎng)增強(qiáng)現(xiàn)象，隨后在AFM探針針尖處產(chǎn)生顯著的局域增強(qiáng)場(chǎng)，光纖探針出射的隱失場(chǎng)得到極大增強(qiáng)，這種場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)隨著AFM探針離光纖探針距離的增加而迅速衰減。綜上所述，近場(chǎng)光鑷光纖探針與AFM探針相復(fù)合的近場(chǎng)分布具有很強(qiáng)的三維梯度場(chǎng)，AFM探針的加入增大了近場(chǎng)光鑷的捕獲能力，如果將樣品置于該梯度場(chǎng)中，必然受到逆梯度方向的力而被捕獲。[0038] 圖2為激光近場(chǎng)光鑷與AFM探針相復(fù)合的近場(chǎng)操作示意圖。復(fù)合探針局域耦合增強(qiáng)光場(chǎng)對(duì)納米微粒的作用力示意圖如圖2(a)所示。AFM探針5局域增強(qiáng)光場(chǎng)與光纖探針6出射光場(chǎng)耦合后形成穩(wěn)定的三維光阱，納米微粒7在光阱中受到的梯度力大小可由時(shí)域有限差分法和麥克斯韋應(yīng)力張量積分來(lái)計(jì)算，梯度力方向可根據(jù)光動(dòng)力學(xué)原理來(lái)判斷。由光鑷力學(xué)原理可知，折射率大于周?chē)橘|(zhì)的納米微粒7處在非均勻分布的強(qiáng)光場(chǎng)中時(shí)，它將受到一個(gè)指向光強(qiáng)極點(diǎn)的梯度力，當(dāng)該梯度力足夠克服重力和布朗運(yùn)動(dòng)等外界干擾力時(shí)，就能夠?qū)⑻幱诠鈭?chǎng)中的納米微粒7捕獲并將其束縛在光強(qiáng)極點(diǎn)附近的某個(gè)位置上。成功捕獲樣品后調(diào)整AFM探針5并使光纖探針6隨之作同步移動(dòng)。如圖2(b)所示，在初始位置I，納米微粒7被復(fù)合探針捕獲，當(dāng)AFM探針5移動(dòng)時(shí)，光纖探針6隨之作同步移動(dòng)，兩探針間距離保持一定，納米微粒7也隨之離開(kāi)樣品池8底部，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)位置II時(shí)，減小激光功率，納米微粒7被釋放。
實(shí)施例1 :采用單光纖探針型近場(chǎng)光鑷與AFM探針相復(fù)合的納米操作方法實(shí)現(xiàn)納米微粒的操作。
該方法結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，結(jié)合圖3詳細(xì)說(shuō)明復(fù)合納米操作方法的具體步驟如下
氦氖激光器9的輸出激光通過(guò)半波片IO后分出一束光由功率檢測(cè)焦耳計(jì)13作功率監(jiān)測(cè)，此后從光纖耦合器14進(jìn)入光纖探針6。首先采用AFM的掃描微進(jìn)給系統(tǒng)將AFM探針5逼近樣品，對(duì)單個(gè)納米微粒7進(jìn)行精確定位，此后依靠間距測(cè)控器22產(chǎn)生的反饋信息控制三維調(diào)整臺(tái)15來(lái)帶動(dòng)光纖探針6，使其逼近AFM探針5并將兩者間的距離保持在納米量級(jí)，通過(guò)逼近和間距控制完成AFM探針5與光纖探針6的復(fù)合過(guò)程。復(fù)合探針實(shí)現(xiàn)對(duì)待操作納米微粒7的選擇定位后，調(diào)整激光器9的輸出功率，使光纖探針6與AFM探針5的耦合增強(qiáng)場(chǎng)產(chǎn)生的梯度力適于操作樣品，隨后調(diào)整光纖探針6的位置使之便于實(shí)現(xiàn)捕獲。成功捕獲納米微粒7后調(diào)整AFM探針5實(shí)現(xiàn)特定的納米操作，借助三維調(diào)整臺(tái)15可對(duì)光纖探針6進(jìn)行校正調(diào)整，以使之隨AFM探針5作同步移動(dòng)。在納米操作過(guò)程中，AFM探針5的針尖固定不動(dòng)，通過(guò)壓電陶瓷掃描管18由計(jì)算機(jī)程序控制使樣品室19在平面X軸和Y軸方向上移動(dòng)，利用AFM信號(hào)處理和顯示系統(tǒng)16實(shí)時(shí)監(jiān)控與觀測(cè)操作結(jié)果，對(duì)納米微粒7實(shí)現(xiàn)精確的觀測(cè)與定位。復(fù)合探針與納米微粒7相互作用時(shí)，針尖5和樣品間的作用力導(dǎo)致硅懸臂梁23發(fā)生形變，引起半導(dǎo)體激光器20的反射激光束在檢測(cè)器21中的位置發(fā)生改變，檢測(cè)器21中不同象限間所接收到的激光強(qiáng)度代表懸臂梁23變形量的大小，在反饋電路17的作用下，微懸臂形變通過(guò)壓電陶瓷管18伸縮進(jìn)行補(bǔ)償從而控制AFM探針5的Z向移動(dòng)。將納米微粒7移動(dòng)到設(shè)定位置后，調(diào)整激光功率，減小梯度力以在新的位置釋放樣品。[0042]
實(shí)施例2 :利用雙光纖探針型近場(chǎng)光鑷與AFM探針相復(fù)合進(jìn)行復(fù)雜的三維操作。[0043]
該方法原理結(jié)構(gòu)如圖4所示，結(jié)合圖4詳細(xì)說(shuō)明復(fù)雜三維操作方法的具體步驟如下
首先采用AFM的粗調(diào)系統(tǒng)粗略地選擇密度和分散度合適的樣品區(qū)域，然后利用AFM的掃描微進(jìn)給系統(tǒng)將AFM探針5逼近納米微粒7，對(duì)單個(gè)納米微粒7進(jìn)行精確定位。在確定好納米微粒7的選擇定位后，利用三維調(diào)整臺(tái)15將光纖探針6和AFM探針5的距離縮小到近場(chǎng)范圍，在微逼近過(guò)程中采用間距測(cè)控器22使二者保持在一定的近場(chǎng)距離。之后另一個(gè)經(jīng)樣品室與外部的接口引入樣品室19的光纖探針24采用同樣的方式逼近AFM探針5，通過(guò)間距測(cè)控器25控制其與AFM探針5和光纖探針6的空間距離。在進(jìn)行納米操作時(shí)，兩個(gè)光纖探針可以當(dāng)作獨(dú)立的近場(chǎng)光鑷，分別對(duì)不同的操作對(duì)象進(jìn)行納米操作，也可以相互配合來(lái)完成單光纖探針型近場(chǎng)光鑷難以完成的任務(wù)。通過(guò)改變雙光纖探針與樣品間的空間位置、移動(dòng)方向和激光入射功率等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)納米微粒7的捕獲、移動(dòng)、釋放、拉伸和扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜三維操作。如果將其中一個(gè)激光光源選定合適的波長(zhǎng)，那么就可能形成光刀，在該系統(tǒng)上利用近場(chǎng)光鑷對(duì)生物粒子進(jìn)行捕獲、旋轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)的同時(shí)，還可對(duì)細(xì)胞或細(xì)胞器進(jìn)行打孔、切割。
權(quán)利要求
一種激光近場(chǎng)光鑷與AFM探針相復(fù)合的納米操作方法，其特征在于，使激光與多個(gè)近場(chǎng)探針相互作用獲得近場(chǎng)局域增強(qiáng)光場(chǎng)，利用該耦合光場(chǎng)對(duì)納米微粒的光梯度力來(lái)實(shí)現(xiàn)捕獲、移動(dòng)、釋放、拉伸和扭轉(zhuǎn)的三維操作，同時(shí)利用AFM系統(tǒng)的納米級(jí)分辨率來(lái)實(shí)現(xiàn)納米操作過(guò)程的精確觀測(cè)與定位，包括探針復(fù)合與目標(biāo)選擇定位及納米操作兩部分，所述探針復(fù)合與目標(biāo)選擇定位包括以下步驟(1)首先采用AFM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；(2)之后通過(guò)AFM的掃描微進(jìn)給系統(tǒng)將AFM探針逼近納米微粒，對(duì)單個(gè)納米微粒進(jìn)行精確定位；(3)確定好納米微粒的選擇定位后，利用三維調(diào)整臺(tái)將光纖探針和AFM探針的距離縮小到近場(chǎng)范圍，在微逼近過(guò)程中采用間距測(cè)控器使二者保持一定的近場(chǎng)距離以適于納米操作；所述納米操作包括以下步驟(1)將復(fù)合探針移動(dòng)到待操作納米微粒處后，調(diào)整激光器的輸出功率，使光纖探針與AFM探針的耦合增強(qiáng)場(chǎng)產(chǎn)生的梯度力適于操作樣品；(2)接著調(diào)整光纖探針的位置使之適于實(shí)現(xiàn)特定動(dòng)作，捕獲納米微粒后調(diào)整AFM探針并使光纖探針隨之作同步移動(dòng)；(3)之后利用AFM信號(hào)處理和顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控與觀測(cè)操作結(jié)果，對(duì)納米微粒實(shí)現(xiàn)精確的觀測(cè)與定位；(4)最后將納米微粒移動(dòng)到設(shè)定位置后調(diào)整激光功率，減小梯度力在新位置釋放納米微粒。
2. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的納米操作方法，其特征在于，所述的近場(chǎng)探針采用尖端具有 納米孔徑的鍍金屬膜光纖探針和具有納米針尖的AFM鍍金膜硅探針。
3. 根據(jù)權(quán)利要求
2所述的納米操作方法，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100納米的通光小孔， 該孔徑光纖探針是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。
4. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的納米操作方法，其特征在于，所述的激光與近場(chǎng)探針相互作 用的方法是將激光耦合進(jìn)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(qiáng)隱 失場(chǎng)；處在該隱失場(chǎng)下的AFM探針在尖端近場(chǎng)范圍內(nèi)形成局域增強(qiáng)場(chǎng)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的納米操作方法，其特征在于，所述的近場(chǎng)局域耦合增強(qiáng)光場(chǎng) 存在對(duì)納米微粒的梯度作用力場(chǎng)，形成的光阱將納米微粒穩(wěn)定捕獲并約束于光強(qiáng)極點(diǎn)附 近，可實(shí)現(xiàn)納米操作。
6. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的納米操作方法，其特征在于，所述的納米操作方法是在近場(chǎng) 光鑷的近場(chǎng)區(qū)域加入AFM探針，利用AFM探針的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)來(lái)克服近場(chǎng)光鑷中光纖探針出 射功率低、隱失場(chǎng)偏弱的問(wèn)題，由AFM探針局域增強(qiáng)光場(chǎng)與光纖探針出射光場(chǎng)耦合后形成 的三維穩(wěn)定光阱能平衡外界干擾力，可實(shí)現(xiàn)納米微粒穩(wěn)定的捕獲。
7. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的納米操作方法，其特征在于，所述的納米操作過(guò)程是當(dāng)光纖 探針移動(dòng)時(shí)，被捕獲的納米微粒也隨之移動(dòng)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求
l所述的納米操作方法，其特征在于，當(dāng)采用雙光纖探針和AFM探針組 成多近場(chǎng)探針時(shí)，在AFM探針與雙光纖探針耦合場(chǎng)的作用下，通過(guò)改變雙光纖探針與樣品間的空間位置、移動(dòng)方向和激光功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米微粒的捕獲、移動(dòng)、釋放、拉伸和扭轉(zhuǎn)的三 維操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的納米操作方法，其特征在于，所述的納米操作方法是利用AFM 的信號(hào)處理和顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控與觀測(cè)操作結(jié)果，對(duì)納米微粒實(shí)現(xiàn)精確的觀測(cè)與定位。
專(zhuān)利摘要
一種復(fù)合激光近場(chǎng)光鑷與AFM探針進(jìn)行納米操作的方法。它是一種從AFM系統(tǒng)樣品室與外部的接口將光纖探針型近場(chǎng)光鑷引入樣品室，利用復(fù)合后產(chǎn)生的耦合力效應(yīng)進(jìn)行樣品微粒納米操作的方法。將AFM探針置于光纖探針的近場(chǎng)區(qū)域后，AFM探針局域增強(qiáng)光場(chǎng)與光纖探針出射光場(chǎng)耦合后形成的三維穩(wěn)定光阱能平衡外界干擾力，可實(shí)現(xiàn)納米微粒穩(wěn)定高效的捕獲。
文檔編號(hào)G01Q60/38GKCN101788571SQ201010102044
公開(kāi)日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2010年1月28日
發(fā)明者劉炳輝, 楊立軍, 王懋露, 王揚(yáng) 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan