（凝聚态物理专业论文）光镊技术在光子晶体领域应用中的探索.pdf

摘要 光子晶体是近年来应用物理和材料科学的一个重要研究领域。它是介质颗 粒周期排列而成的人工材料，能够产生光子带隙，频率落在带隙内的光在晶体 里沿任何方向都不能传播。 制备三维光子晶体的方法中，自组织法是最有实际意义、应用最广泛的方法， 但是此方法难于控制晶体的生长过程，所制备的胶体晶体通常呈多晶结构。影 响光子晶体在实际中的应用。虽然人们仍在不断改进此方法，但是仍无法控制 晶体生长过程中的缺陷态。在本方法的基础上利用光镊技术对产生的缺陷进行 修复以及对生成的晶体进行修整，从而达到去除缺陷的目的，生成大面积无缺 陷的的三维光子晶体。在实际的应用中，缺陷的结构决定了光子带隙材料的性 质，这就需要人为的制造出具有特殊用途的缺陷。本实验作为初步的尝试，为 以后的工作奠定了重要的基础。 本文从光作用力的原理出发，推导出沿z 轴方向的作用力的公式，分析了物 镜数值孔径、激光束模式对光作用力的影响。 计算与分析表明，靠近物镜入瞳中心的光线对横向光作用力的贡献较大，而 靠近物镜入瞳边缘的光线对纵向的光作用力贡献较大。通过改善激光束形状， 在保证纵向作用力的同时，可有效提高光镊系统横向稳定性。 在仪器研制方面，我们将h e - n e 激光器与显微镜系统耦合构建了一套显微镜 物镜正置光镊系统，作为光镊光的激光从物镜上方竖直进入物镜目瞳，这样光 镊光位于样品池的上方。观察光也从物镜上方射入。在构造光子晶体的过程中， 总可以观察到并能控制晶体最上面一层介电小球，进行光子晶体的制备。 本实验成功地实现了微米聚苯乙烯球体、二氧化硅球体样品的操纵，为光镊 在光子晶体领域的应用奠定了必备基础。 关键词：光子晶体、自组织、光镊、光阱 a b s t r a c t p h o t o n i cc 叫s t a i sa r ean e w t y p eo f a n i n c i a lo fm a t e r i a l sw i t hm u l t j d i m e n s i o n a l i 哆 p e r i o d i cd i e l e c t r i cs t r u c t u r e t h e yc a l lc r e a t ear a n g eo ff o r b i d d e nf r e q u e n c i e sc a l l e d p h o t o n i cb 8 n d g a p p h o t o - n sw i t he n e 唱yl y i n gi n 幽eg a pc a n n o tp r o p a g a t et h r o u g ht h e l 瓣e d i 焖。 u s i n gs e l a s s c m b l yt op r 。文l e e 氆r e e d i m e n s i o n a lp h o 孙n i ee 碍s t a l si s 镪em o r e f c a s i b i em e t h o d b u tm a k i n gp e r f e c t c r y s “i l i n 。a r r a y s 0 fs p h e r ei sn o t e a s y i n v a r i a b i y r a n d o m ( b a d ) d e f c c t so c c u rw i m i nm el a n i c e 伯e s ea 饿c t 龇p h o t o n i c c r y s t a l 印p l i c a t i o n s m u c he 丘b nh a sf o c u s e do ne l i m i n a t i n gm e s eu n w a n t e dd e f e c t s 抒o mt h es e l f - a s s e m b l e dm a t e r i a l ，a n de x t r e m e l yo r d e r e dp h o t o n i cb a l l d g a pc r y s t a l s h a v eb e e nm a d e o w e v e rp e o p l ec a n tc o n t r o l 也ed e f b c td i l r i n gt h es e l b 8 s s e m b l i n g w bm o d 姆t h cd c f e c tb ya p p l i c 艇o a so fo 蟛c a 至t w e o z e r st e c h n o l o g y s t n l e 姐。a l 岛e t se 黥燕c 域et h ep o 辨n i e so f 砖。芏。矗i cb 摊d g 颦撒a t e 菇8 圭s ，a 粼i n gi 珏捻巍o n 蠢 凳c s 旗黼n 氇e c 疆s 谵la r en e e d e d 秘l i se x p e 癜n e 撤i s 氇。f o 越南主i ( mo f 鱼e 蠡n w 。 、o r k b a s e do nm em e o r i e so f o p t i c a ip r e s s u r ef o r c e s ，t h i sp a p e rd o d i l c e 也ef o r m u l a a l o n gza x 峨a 枞y z em ee 羝c t so fm i c s c o p eo 巧e c t i v en al a s e 毛卿氛l e o n 拄8 p p i 砖gf o r c e 嚣艟r c s 珏l 毽s 耋l o w 氆el i g 瓤糟y sn e a 淹y 镪ec e n 衙o f 也eo 秘e e t i v 尊b a 馥辩e u r e h a v eg r e a t e rc o n 雠b 砸o nt ot 量l e 仃a n s v e r s ef o r c e s ，w 陋kt h o s en e a r b ym e e d g e 斌b c t m a i n l yt h ea ) ( i sf o 心e s t h et 砌s v e r s et r a p p i l l gf o r c ec a nb ei n c r e a s e de 矗b c t i v e l yb y m o d i 移i n g l a s e r p r o f i l e ，w h j l et k a ) ( i a ls t a b i l i t yo f t l l es y s t e mi ss t i l ia s s u r e d w b u s i n gah e 悄el a s e ra sl i 曲ts o u r c e ，a i lo p t i c a l 呲e z e r s 州t 1 1o n eo p t i c a lt r a p w a ss e tu p 。t h el 蹦e rl i 曲ta n d 也eo b s e “a t i o nl i g h tn o m l a l l yi n c i d e n tt h eo b j e c t i v e b a c k 婶e m 糈。w ec a na l w a y so b s e “e 矗n dm a 越p 畦a 主ed i e l e c 衄c 蹲h e r e sa tt h et 婶 l 科e f s p o l y s l y r c 珏c 赫s ，l i e o n 蔗馘i s p 瓤e r e sw e f e 粼c e s s 鑫娃l ym 鑫娃i p 堪a t 砖旗氇 t h eo p l i c 蠢铆e e z e 糟s y s t e m ，t h ec o n s 讯k t i 潍o f o p 蛀c 蠢t w e e z e r si s 氆ef o u n d a t i o n o p t i c a lm i c r o m a i l i p u i a t i o no f p h o t o n i cc r y s t a l s k e yw o 缱s ：p h o t o n i cc r y s t a i s ，s e l f a s s e m b l i n 懿o p t i c 越细e e z e r s ，a n do p t i c a it r a p 珏 第一章绪论 1 1 光子晶体的提出极其研究意义 从真空管到超大规模集成电路，人类跨出了巨大的一步。半个世纪以来，电 子器件的迅猛发展使其广泛应用于我们生活和工作的各个领域，尤其是促进了通 信和计算机产业的发展。然而，进一步小型化以及在减小能耗下提高运行速度， 几乎是一种挑战。且由于电子器件是基于电子在物质中的运动，在纳米区域内量 子和热的波动使它的运行变得不可靠了。人们感到了电子产业的发展极限，转而 把目光投向了光子，提出了用光子作为信息载体代替电子的设想。自从1 9 6 0 年 第一台激光器问世以来，人们对光的特性及光子与物质的相互作用的了解不断深 化。由于光子是以光速运动的粒子，以光子为载体的光子器件将有比电子器件高 得多的运行速度。且光子受到的相互作用远小于电子，光子器件的能量损耗小、 效率高。人们设想也能像集成电路一样制造出集成光路，光子在其中起着电子在 半导体中的作用，全光通讯、光子计算机将构成未来的光子产业。类似于电子产 业中的半导体材料，光子产业也存在着一种基础材料一光子晶体( p h o t o n i c c r y s t a l s ) 。 1 9 8 7 年。y a b l o n o v i t c h 提出建立周期性三维介电结构的设想。经过研究，从 理论和实验上都肯定了这种材料的存在。同时，j j o l l i l 提出，经过仔细制备的三 维介质超晶格，使其具有适当的无序度，可用于研究光子在材料中的强局域现象 【”。他们两人分别提出了光子晶体的概念，所谓光予晶体就是两种或两种以上的 介质的周期性排列组成的人造晶体。由于介电参量的周期性调制，电磁波在其中 的传播可以用类似于电子在半导体中传播的能带结构来描述。一定频率的光波， 在光子晶体的特定方向上被散射不能透过，形成光子能量禁带。如果这些能量禁 带在所有方向上的带宽都大到可以相互重叠，则这种光子晶体就是一种具有完全 带隙的光子晶体；若不能相互交叠则为不完全带隙的光子晶体。由于光子带隙的 存在，产生了许多崭新的物理性质，它广阔的应用前景使光子晶体成为当今应用 物理和材料科学领域的一个研究热点，得到了蓬勃的发展。1 9 9 9 年1 2 月1 7 日的 北京工业大学理学坝士学位论文 美国科学杂志把光子晶体列为1 9 9 9 年三十大科学进展之一”。 1 2 光子晶体的发展与现状 1 9 8 7 年，e y a b i o n o v i t c h 川在研究如何控制材料的自发辐射性之时提出了光 子晶体的概念。几乎同时s j o h n 研究光子在无序介质里的局域化效应时也提出 了这个概念。他们指出，介电函数在空间上的周期性能够影响材料中光子的状态 模式。光子带隙的存在，带来了广阔的应用前景，因此在随后的几年里，光子晶 体成为应用物理乃至材料科学的一个研究热点，得到了蓬勃的发展。 纵观十几年的发展过程，可将光子晶体的研究领域划分为四个主要的方面： ( 1 ) 理论上设计具有完全带隙的光子晶体结构； ( 2 ) 从实验上实现所设计的光子晶体，并将带隙不断向短波方向推进，最终 制备出近红外和可见光波段的三维光子晶体； ( 3 ) 探讨光子晶体的带隙所产生的物理效应，研究光子晶体中光和物质相互 作用的规律： ( 4 ) 光子晶体器件的开发和应用。 1 2 1 光子晶体的结构 简单地说，光子晶体是介电函数在空间的周期性分布所形成的结构。自然 界中有光子晶体的例子，如蛋白石( 0 p 址) 、蝴蝶翅膀等，电子显微镜显示它们是 由一些周期性微结构构成。由于在不同的方向散射和透 射不同频率的光，因而呈现出美丽的色彩。图1 1 1 3 给 出由介电常数不同的两种物质所构成的一维、二维和三 维光子晶体的结构示意图。 1 2 2 光子能带和光子带隙 图卜1 一维光子晶体 我们知道电子在周期势场v ( f ) 中的作 用满足薛定谔方程： v 2 甲( f ，) + 罟陋一矿( 芦) f ( f ，) = o ( 1 _ 1 ) 矿( - ) = r 仁+ i 一) ( 1 2 ) 昔l 一2 二维光子晶体图l 一3 三维光子晶体 其中莨。为晶格常数，矿为等效势场。 对方程( 1 1 ) 求解可得，在周期势场中运动的电子能量值只能取某些特殊的分 立值，而在某些能量区间是无解的，也就是说明电子能量不可能落在这样的能量区 间，这就是电子能量禁带。 当一束频率为的光入射到介电常数呈周期性变化的材料中时，其电矢量e 所 满足的麦克斯韦方程为： v 2 五( f ，f ) + ( 么2 ) 【( f ) + 。 雷( f ，f ) = o ( 1 3 ) s ：s f + 页。) ( 1 4 ) 其中0 为介质的平均介电常数，s f ) 是扰动介电系数。 比较以上( 卜1 ) 、( 卜3 ) 两组方程，不难看出它们的形式十分相似： 一手s 6 = ) 一r 6 = ) ( 1 5 ) 岛等- 占 ( 卜6 ) f 从光子和电子运动方程的可类比性，我们可以看到：在一个折射率周期性变 化的结构中，光子的运动类似于在周期势场中电子的运动。因此，折射率周期性 变化的介电结构具有光予能带结构，在一定条件下也具有光子能隙。电子晶体中 的物理概念和物理量同样可以类推到光子晶体中，如倒格矢空间、布里渊区、色 散关系、布洛赫定理等。 1 2 3 光子晶体的潜在应用 由于光子晶体独特的调节光子传播状态的功能，进十几年来，光子晶体成为 应用物理乃至材料科学的一个研究热点，得到迅速的发展和广泛的应用。目前光 子晶体有可能应用于：抑制原子与分子的自发辐射，制作单模发光二极管、无阈 值激光器，制作光波导、光子晶体光纤，制作微波发射天线基底，压缩激光脉冲， 制作光学开关，反射镜，偏振片等方面。 1 2 3 1 抑制原子分子的自发辐射1 ，5 ，6 - 7 1 处于激发态的原子有向基态跃迁的自发倾向，同时以光子形式释放其能量， 这就是原子的自发辐射。自发辐射对很多科研仪器应用造成不便、甚至不利，例 如，激光器的自然线宽等。当原子被放置在光子晶体中，而且原子的自发辐射频 北京工业大学理学硕士学位论文 率正好落在光子晶体的完全带隙内时，由于电磁场与原子的耦合大大减弱，原子 的自发辐射被抑制。如激光二极管的能量转换效率受到材料的自发辐射效应的限 制，若将光子晶体应用到这里面，将大大降低激光器的闽值，做成无闽值激光器。 1 2 3 2 单模发光二极管崎- 8 0 在半导体材料中掺入少量的杂质，在电子能隙中将会产生杂质的缺陷态。类 似地向光子晶体中引入微腔，在光子带隙中也将产生特定的缺陷态。在适当的微 腔结构下，微腔将只对应于单一的电磁模式。把发光二极管放置于这样的光子晶 体中，二极管发出的光都将受到光子晶体禁带的限制，从而出射光将具有很好的 方向性和单色性，同时发光二极管的转换效率可得到大幅度的提高。 1 2 3 3 光波导器件 9 r 1 0 如果完整的光子晶体中引入线缺陷，就会形成波 导结构。频率在光子带隙里的光波将被限制在线缺陷 内传播，这是一种新型的导光机制，光波在普通光纤 中传播时，利用的是两种不同介质界面上的全反射原 理传输光，在小角度拐弯处，将损失大部分的能量， 特别是拐小于9 0 。的弯几乎不可能。而在光子晶体波 图l 一4 光子晶体波导 导中，即使在拐9 0 0 弯的情况下，也具有很 高的效率，如图l 一4 所示。由于优异的光 波导性能，所以光子晶体波导在光学通讯 中有广泛的用途。如图1 5 为光子晶体光 纤。在拉制的光子晶体光纤中还观测到了 产生超连续光的现象，一定频率的光在光 子晶体光纤里传播，通过自相位调制以及 谐波效应和其它的非线性效应，使得出射 光频率大大的拓宽，变成超连续光波。此 图1 5 光子晶体光纤 外，通过引入点缺陷，可以将光子晶体做成波分复用器，做成无阈值激光器等a 光子晶体在未来的光子器件集成中起关键作用。 1 2 3 4 高发射率小型微波天线【1 1 】 4 第一章绪论 传统的小型偶极平面微波天线是以g a a s 做基底材料的，如图1 6 ( a ) 所示， 其发射效率只有2 ，而9 8 的能量被基底吸收或者散射消耗掉。如果采用光子 晶体做基底材料，如图1 6 ( b ) 所示，对于频率处于光子带隙范围内的电磁波，光 子晶体的表面是一个理想的反射面，光子晶体基底几乎不消耗能量，这样天线所 发射的电磁波均被发射到空间中，从而大大提高了天线的发射效率。 此外，光子晶体还可以用作光滤波器、光开关等。对它的开发和研究必将导 致未来的通讯、计算机产业革命性的变革。 7 奄 l天终 卜角楼爿 辐射 y 旷 上天缱 f光子晶体基底 ( a )( b ) 图l 一6 小型微波天线发射装置，( a ) 以g a a s 为基底；( b ) 以光子晶体为基底 1 2 4 光子晶体的制备方法 光子晶体需要人工制备。由于它的晶格尺寸与光波的波长相当，要获得在可 见光和近红外波段的光子带隙，光子晶体的品格常数必须在微米、亚微米量级。 目前制备光子晶体的方法主要有以下两种： 1 2 4 1 精细加工法 这是制备光子晶体最为稳定可靠的方法，它以半导体工业成熟的工业技术为 基础。微波波段的光子晶体由于其晶格常数在厘米致毫米量级，比较容易制作， 用机械加工方法就可以实现【1 1 ，1 。用直径为毫米量级的氧化铝圆柱棍排成列阵， 或采用在基体上机械打孔制成相互平行的空气圆柱列阵的方法，能制造二维光子 晶体。 为了制造三维光子晶体，e y a b l o n o “t c h 曾将8 0 0 0 个球形颗粒按f c c 结构排 成空间点阵，测量其微波透射率。发现当空气小球的占空比达8 6 ，且基底材料 的折射率达3 5 以上，才出现完全光子带隙【1 ”。随后的理论证实，y 曲l o n o v i t c h 所观测到的带隙实际上只是赝带隙【1 3 t1 们。世界上第一个真正具有完全带隙的光 北京工业大学理学硕士学位论文 子晶体结构是y a b i o n o v i t c h 小组于1 9 9 1 年设计出来的1 。他们采用了一种新的 打孔方法( 如图1 7 ) ，在基底材料上留下近椭球圆柱形空气原子所构成的f c c 空间列阵结构，从而打破了对称性所带来的 能及简并，并产生了完全带隙。 制备更短的亚毫米和远红外波段的光子 晶体，需要采用微刻蚀技术，包括激光刻蚀 术、反应粒子柬刻蚀术等精细加工技术。利 用这些技术，可以较容易的制作= 维光子晶 体，直至近红外和可见光波段【1 卜1 。但目 前受刻蚀技术及工艺的局限，制备近红外和 可见光波段的三维光子晶体，仍十分困难【 图l 一7 具有完全带隙的光子 1 。美国s a l l d i a 实验室采用在硅片上逐层刻蚀、外延生长的方法制备出的三维光 子晶体已达到远红外波段【1 。制备更短波段的三维光子晶体仍存在着极大的挑 战。 1 2 4 2 胶体晶体模板法 在溶液中，单分散胶体颗粒相互作用自发形成有序的空间三维结构，即胶体 晶体。由于胶体晶体具有周期性的介电结构，且其晶格尺寸在亚微米量级，可望 成为制备可见光至近红外波段的三维光子晶体的一条有效途径【2 0 一2 。 人们发现，利用介电材料的直径在亚微米或者微米量级的小球悬浊液，通过 自组织( s e l f a s s e m b l y ) 方法，在重力和静电力等得作用下，小球自发的排列成面 心立方( f c c ) 结构，通常我们把这种结构的晶体叫做人工蛋白石( o p a l ) 。然而，无 论是聚合物还是二氧化硅，由于它们的折射率较小( 聚苯乙烯的折射率约为1 5 9 ， 二氧化硅约为1 4 5 ) ，由这些材料所构成的晶体并不具备完全光子带隙2 0 一2 。 由于这些困难，人们想到了向0 p a l 晶体中填充高折射率的材料并除去原来的 小球制得0 p a l 的反结构( 反o p a l 晶体) 的方法，计算表明反o p a l 光子晶体，在 第八和第九个能带之间将存在光子带隙。如何将高折射率材料有效填充于o p a l 晶 体的空隙内是制备反蛋白石结构的关键步骤。目前的空隙填充技术主要有以下几 弟一蕈绪论 种： 1 c b d 方法2 5 ，2 6 】 最初和最常用的填充方法是c b d 方法( c h e m i c a lb a t hd e d o s i t i o n ) 。基本过 程是将样品浸入特定的溶液中，在溶液中发生化学反应产生填充物质，沉淀在样 品的空隙中，以达到填充的目的。所用的填充材料常见的有二氧化钛( t i o ，) 、硫 化镉( c d s ) 、硫化锌锰( z n s ：m n ) 、钛酸钡( b a t i 0 3 ) 、二氧化钒( v 0 2 ) 1 等。 这种方法的优点是可以选用填充的材料相对比较多，实验方法比较简单，但是缺 点也非常明显。很重要的一个缺点就是填充率无法做到很高，因为o p a l 晶体中 的孔隙很小，且只占晶体体积的2 6 ，在c b d 过程中，在通常情况下，化学反 应所产生的填充物质首先沉积在晶体表面和接近表面的内部，而更深的内部沉淀 很少，随着反应的进行，填充物质将会将表面的孔隙几乎填满，这样晶体内部将 很难有反应发生，要提高填充率，需要选择特殊的反应条件以避免这种情况的发 生。 t i 0 ：是一种常见的高折射率材料，在可见光波段的折射率约为2 6 左右。它 可以通过钛酸脂( 如钛酸丁四脂( c 。屿0 ) 4 t i 或者钛酸乙四脂( c ：h ，o ) t i ) 与水之间的 化学反应制得( 反应方程式为 ( c 4 h 9 0 ) 4 t i + 2 h 2 0 +4 c 4 h 9 0 h + ，r i 0 2 或 ( c 2 h 5 0 ) 4 t i + 2 h 2 0 - 4 c 2 h 5 0 h + t i 0 2 ) 。 将 o p a l 模版浸泡入钛酸脂的乙醇溶液中，利 用空气中的水蒸气与钛酸脂发生反应，实 现填充。 2 负压渗透法 这一方法是利用机械式真空泵产生压 力差，使得发生反应的液体可以更多的进 图l 一8 负压渗透法示意图 入o p a l 模版内部，可以在一定程度上提高填充率，如图l 一8 所示。 3 电化学沉积法【2 7 r2 8 】 这种方法可以用于填充某些特定的高折射率半导体材料，如硫化镉( c d s ) 、 硒化镉( c d s e ) 等等，原理如图l 一9 所示。o 审a l 模版浸泡在特定的电解液中， 样品池底部为i t o 平板电极，加上电压 之后，在底部电极处就开始有所需的半 导体材料生成。由于本方法中发生反应 的位置是从样品池底部电极平面开始逐 渐上升，而非c b d 方法在溶液中处处都 有反应发生，因此模版表面的孔隙不会 被很快堵塞。填充率相对于c b d 方法得 到了提高。但是本方法所能使用的填充 材料有限。 图l 一9 电化学填充法示意图 化学气相沉积法( c h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ) 也可以应用于反o p a l 晶体的填充过程中。它的基本原理与c b d 法类 似，只是反应介质变成了气体，反应条件也因此有了很多其他的限制。c v d 法可 以用来填充硫化锡( s n s ，) 、磷化钾( g a p ) 、磷化铟( i n p ) 、硅( s i ) 等等。但是 由于气相反应的效率相对于液相而言低很多，因此填充率也很难提高，而且反应 条件苛刻。此外，还有离子注入法填充硅等方法。 实验得到的反o p a l 晶体的质量由如下几个因素决定：用作模版的o p a l 的质 量，高折射率材料的填充率，填充以及之后去除原o p a l 材料的过程中对样品周 期性结构的破坏程度等等。这其中，o p a l 模版的质量是至关重要的一环，模版结 构周期性的好坏在很大程度上决定了最终所得样品的能带质量，没有高质量的 o p a l 模版，那么之后的一切步骤和努力都是空中楼阁。目前，制备o p a l 晶体的 方法主要有以下几种： f 1 ) 静电力自组织生长法伽1 在溶液中，胶体颗粒小球表面带有电荷，在适当的电荷密度和颗粒浓度下通 过静电力相互作用，小球自组织生成面心立方( f c c ) 或体心立方( b c c ) 的周期 性结构，形成胶体晶体。这是制备胶体晶体最简单、最成功的方法，制备的胶体 晶体尺寸可达1 c m ，。然而，这类胶体晶体呈半流体状，且胶粒间因静电力排斥力 相距一定的液相距离，会破坏晶体的有序结构，故这种方法不能形成实用的固相 胶体晶体模板。 ( 2 1 重力沉降法【3 0 ，3 1 】 利用胶粒与溶剂的 密度差，在重力场的作 用下，单分散的胶体颗 粒小球沉积于水平基底 上，自组织形成有序的 密堆积结构，小心蒸干 s i o ：小球浊液 底部有晶体形成生成光子晶体 图l 1 0 重力法制备o p a l 过程示意图 上方溶剂，得到固相胶体晶体，晶体的 密排面通常垂直于重力方向。这种方法 的优点是制备过程简单，缺点是制备周 期长，所得样品周期性结构较差，缺陷 很多。基本过程见图1 1 0 。玻 ( 3 ) 气压法 利用一个特制的样品池，在外加的 气体压力作用下，在样品池的出水口处 形成o p a i 晶体的方法。这种方法是由 n 2 山 样品生长池 图1 ll 气压法样品池结构示意图 样品池的结构如图1 1 1 所示，两片具有光学表面的玻璃片叠合在一起，中间用 一个o 形的分隔环隔开，在两片玻璃片中构成所需的样品池，在上玻片上打孔接 上一个玻璃管，用作注入浊液和加以氮气压力的通道，o 形环在远离玻璃管的地 方留有出水口，出水口的作用是使浊液中的液体可以流出但可以挡住其中的小 球。 制备过程是通过玻璃管将单分散的聚苯乙烯或有机玻璃( p m m a ) 的单分散 小球悬浊液注入样品池中，之后向样品池加以适当的氮气压力，并将样品池放入 超声振荡器中进行微弱振荡，在出水口处就会有样品产生。这种方法一般只能使 用密度相对较小的小球材料，对于密度比较大的，比如二氧化硅( s i o ：) 小球， 由于其下沉速度过快，无法在本方法中应用。本方法制备的样品质量较重力法要 好，但样品很难做的比较大，而且厚度也有限，且制备过程比较复杂。 f 4 ) 提拉法【3 2 】 这一方法是将基片垂直放入单分散的胶体颗粒悬浊液中，然后匀速向上缓慢 提拉基片，或者让悬浊液慢慢蒸发，利用基片上部溶剂挥发所产生的压力差，将胶 北京工业大学理学硕士学位论文 粒推向基片，并排列成有序的面心立方结构，形成光子晶体薄膜，如图1 1 2 所示。 利用这种方法所制备的光子晶体呈单晶结构， 表面平整，厚度可控。但是利用这种方法不能 生长出厚的样品，只能生长十几微米厚的光子 晶体。此外，类似于提拉法，也有在水平方向 利用液体的表面张力和蒸发作用制备o p a l 的 方法，其特征与提拉法差别不大。 ( 5 ) 夏氏法【”j w a s h i n g t o n 大学的y o u n a i lx i a 研究小组采 图卜1 2 提拉法生长光子晶体示意图 用另一独特途径制备胶体晶体。他们将胶体颗 粒悬浊液注入特别的小室中，在外加气压和超声的共同作用下，溶剂由侧壁虑出， 小室内形成胶粒的有序排列。通过调节小室上下表面的距离，可制备不同厚度的 样品。这种方法速度快：只考虑胶粒的几何因素，适用范围广。然而所制备的胶 体晶体的有序度受胶粒和小室几何尺寸的共同作用，且小室的制备复杂，限制了 这一方法的广泛应用。 1 3 光镊技术简介 光子晶体的研究是一项富有挑战性的工作，它令人瞩目的应用前景以及它在理 论上的重要意义，吸引着越来越多的研究人员投入此项工作。然而就目前而言，在 光子晶体的制备领域，仍存在着众多的困难有待克服解决。一方面，在精细加工 领域，刻蚀技术的极限限制了光子带隙向可见光波段移动：另一方面，组织法虽 有望制备可见光波段的光子晶体，然而在制备的过程中，由于难于控制晶体的生 长过程，所制备的胶体晶体通常呈多晶结构。影响光子晶体在实际中的应用。虽 然人们仍在不断改进此方法，但是仍无法控制晶体生长过程中的缺陷态。 基于这一研究现状，本课题探索使用种全新的方法制备胶体晶体，即在自 组织生长法的基础上引入光镊技术，不但可以控制晶体的生长过程，还可以造出 大面积完全无缺陷态的单晶，并可以引入缺陷。本方法最重要的一点是可以在三 维光子晶体中引入可控的缺陷。 1 3 1 光镊技术的发展 对光作用力最早的认识要属德国的天文学家开普勒，他于1 7 世纪初提出彗 1 0 尾之所以背向太阳的原因是其受到太阳辐射的作用力。到18 7 3 年，麦克斯韦根 据他的电磁学理论从原理上说明了光本身可产生光作用力，或者说是光辐射压， 但是直到2 0 世纪才从实验上证明了光作用力的存在，这主要是因为光辐射压是 极其微弱的，毫瓦级功率的光仅可产生皮牛顿级的作用力。 到2 0 世纪6 0 年代，激光的出现使对光辐射压进行研究成了可能。贝尔实验 室的a n h u ra s h k i n 是对此进行研究的先驱。a s i l k i n 等人通过将激光会聚成窄的 光束，证明了光压可使微粒，比如直径为几个微米的聚苯乙烯小球，进行移动或 逆着重力对其进行提升。a s h l 【i n 在光辐射压的影响方面所做的工作，给以后光镊 技术的发展奠定了基础。1 9 7 0 年，a s h k i n 用一束l w 的连续亚离子激光实现了球 形颗粒的二维囚禁，成功地观察到在垂直光传播的方向上激光对水中直径1 朋的 乳胶颗粒的束缚【3 4 】。这一工作为后来实现激光对原子的冷却与捕陷以及稀薄气体 的玻色爱因斯坦凝聚奠定了基础。1 9 7 8 年，a s h k i n 又提出了一种单光束梯度力陷 阱的方案f ”l 。但最早的光学阱或是由多束光会聚在一点上实现，或是由与激光传 播方向相反的力与激光共同做用实现。比如，在重力场下实现对空气或液体中微 粒的悬浮。 1 9 8 6 年a s h l 【i n 等人把单束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学阱【3 6 1 ， 并证明了这种光阱可以无损伤地操纵活体物质。当一束强会聚的g a u s s 光场作用 于一个透明的物体时，如果粒子的折射率n 。大于周围介质的折射率i l o ，无论是在 光的传播方向z 轴，还是在垂直于z 轴的x - y 平面内，梯度力把粒子推向光场最 强处，即激光焦点。目前，人们所说的光镊便是这种三维光学阱。 作为一种崭新的光学微操纵手段，其广泛的用途使光镊技术得到了足够的重 视。目前，人们已发展了各式各样的基于显微物镜的光镊系统【3 6 。38 】和基于光纤的 光镊系统，并已有公司推出了这方面的商业产品( c e l ir o b o t i c s ，妣，a l b u q u e r q u e ， n m 、sl i n c ) 。尽管已有了商业化的光镊系统，但出于经济性的考虑，特别是研 究者所开展的工作、以及所研究的具体研究对象对光镊系统的配置及特点都有着 不同的要求，所以众多具有仪器研制能力的实验室都在竞相研制符合自己特点的 光镊系统。 1 3 2 光镊理论的研究 北京：亡业大学理掌硕士学位论文 为了提高光阱效率及改善系统的操纵性能，人们还从光束的模式及操纵样品 的结构入手对光作用力理论进行了理论分析和实验研究。光与物体的作用力对物 体形状是非常敏感的，所以对光作用力的理论计算不能取代对它的直接测量。但 是理论分析与计算对于仪器参数、操纵对象材料与结构的选择与改善都有着 不可忽视的指导意义。实验结果与理论估算值的比较还可用做实验可靠性分析与 评价的标准。 目前，光捕获理论的发展还有其不足之处。这可从计算模型的选取和近似条 件的限定来看。光作用力的计算多采用球形介质模型，这是因为其它形状的电磁 模型难于计算，再者就是常用做操作柄的聚苯乙烯球体和硅球都是球形的。目前 人们己提出了可用于光作用力计算的射线光学r o ( r a y o p t i c s ) 模型川和电磁 e m ( e l e c t r o m a g n e t i c ) 模型4 “。由于r 0 模型基于几何光学的原理，所以适用于作用 对象尺寸比光波长大得多的情况，而e m 模型适用于作用对象尺寸比光波长小得 多的情况。 基于r o 和e m 计算模型，人们对光镊系统参数及操纵对象的结构对光阱力 的影响进行了广泛而深入的研究。人们研究发现利用l a g u e r r c g a u s s i a 模式可有 效提高轴向的光阱力。引文【4 1 4 2 ，4 3 】分别对空心介质球体、环状、柱状结构样品的 可操作性进行了实验研究和理论分析。人们还对金属颗粒的可操作性进行了理论 分析和实验研究【4 4 ，4 5 1 ，结果发现同介质球体受力情况相反，金属颗粒所受横向 光作用力随物镜数值孔径的提高而增加f 4 6 】。金属颗粒的可操作性将扩展光镊系统 的应用范围，对研究生物抗体和有机耦合剂具有积极意义。 1 3 3 光镊技术的应用【4 7 】 目前，光镊技术的应用研究的热点主要集中在生物学方面。a s k i n a 首先将 光镊技术应用到了生物领域，第一次实现了对病毒、细菌的捕获与操纵【榴。为了 减少对生物样品的损伤，他又将红外激光器应用到光镊系统，实现了对活体细胞 的无损伤操纵【4 9 1 和进行了微管内细胞器运输力的研究【5 0 】。随后，人们逐渐将这一 技术广泛地运用到了生物学的研究。 当然，光镊的应用并不局限于生物领域。目前它已在表面科学及凝聚态物理 等领域【5 1 5 8 l 得到了应用与发展。其中，以m i s s a w a 为代表的日本r e s e a r c h d e v e l o p m e n tc o r p o r a t i o no fj a p a l l 研究组设计了一种光镊“分时”操作装置， 使一束光可形成多达8 个独立的光阱。他们利用这一装置对乳胶微粒操作技术进 行了多方面的研究，能有效地控制粒子的流动方向、选择颗粒的大小以及空间图 案的排布。他们还发现表面结合了极性或非极性功能分子团的聚苯乙烯小球与溶 液中的荧光探针分子相互作用，可使后者发射的荧光波长和强度发生变化，从而 通过荧光信号可以探知小球表面的化学性质。这种荧光分析法过去是将小球与溶 液作为一个整体加以研究，只能得到样品的平均荧光信息。现在，结合光谱测量 技术，光镊可以随意地操纵或固定单个小球的空间位置，因此可以探测单个小球 表面结合物发射荧光的细节，从而确定小球表面的分子结构。 金属颗粒由于具有反射特性，所以向认为不便利用光镊对其进行有效操 纵。现在理论和实验都已证明了光镊可以有效地操纵金属微粒。目前关于光镊操 纵金属颗粒作为探针在纳米技术中的应用正在探索中。除此之外，光镊技术在基 础物理学、大气物理、重力场和流体场等精密测量领域的应用也正在研究中。 总之，光镊技术已受到世界各国，特别是技术发达国家和地区科技工作者的 广泛关注，这一技术已被广泛地应用于生物学和物理学众多领域的研究。随着光 电器件性能的提高和光镊技术的进步，光镊技术必将得到越来越广泛的应用。 1 4 本课题主要研究内容： 本课题的研究内容主要包括光作用力理论的研究，光镊系统的建立。本文第 二章以基于几何光学的光线光学光作用力计算模型，以及基于电磁场理论的光作 用力计算模型为基础，对光作用力理论进行了研究。第三章介绍了光镊系统的设 计和建立。光镊系统的研制包括激光器的选取、光学系统的设计、我们建立了可 进行三维微操纵的光镊系统，成功地实现了微米聚苯乙烯球体、微米二氧化硅球 体样品的操纵，为光镊在光子晶体领域的应用奠定了必备基础。 北京工业大学理学硕士学位论文 第二章光对介电小颗粒作用力的理论研究 为了提高光阱效率及改善系统的操纵性能，人们从光束的模式及操纵样品的 结构入手对光镊系统光作用力理论进行了理论分析。光与物体的作用力对物体形 状是非常敏感的，所以对光作用力的理论计算不能取代对它的直接测量。但是理 论分析与计算对于仪器参数、操纵对象的选择都有着不可忽视的指导意义。通过 对实验结果与理论估算的比较还可用于实验结果可靠性的分析与评价。 目前，光捕获理论的发展还不太成熟。这可从计算模型的选取和近似条件的 限定来看。对光作用力计算的过程中均针对球形介电物体进行。目前人们已提出 了可用于光作用力计算的射线光学r 0 ( r a y o p t i c s ) 模型【6 0 1 和电磁 e m ( c i e c t m m a g n e t i c ) 模型川。 2 1 光作用力原理与计算模型 当介质颗粒尺寸远大于光波长时，可用几何光学原理来解释介质颗粒的受力 原理。在进行光作用力的计算过程中，可采用r 0 模型，将作用对象理想化为均 匀介电球体，当一束光线射入一介质折射球体时，球体将象一个透镜那样对光线 造成折射。根据动量守恒定律 可知，光线将传递给介质球体 一部分动量，从宏观来看，就 是光线对介质球体产生了作用 力。在光梯度场中，光作用力 将迫使介质球体向光强较大的 方向移动。图2 - 1 给出了光线 与小球的动量交换从而对小球 产生作用力的示意图。从图中 图2 l 光线与介质球体的相互作用示意图 可以看出，当球体中心处于光线的右方时，球体将受到向左的光作用力。当球体 中心处于光束焦点下方时，球体将受到向上的光作用力。 2 2e m ( e l e c t r o m a g n e t i c ) 模型 当介质颗粒尺寸远小于光波长时，可用电磁学模型来解释介质颗粒的受力原 理。参照文献【6 2 】，将光作用力沿光线行进的方向的分量定义为散射力只，垂直于 光线方向的分量定义为梯度力。球体所受梯度力及散射力c 分别为： = ”：占( 寺v ) ( 2 1 ) 占为处于样品浸液中散射球体小颗粒的电偶极子极化率，其同散射颗粒半径， 的关系为： 拈疗募，3 ( 2 _ 2 ) 其中，m 2 以他，n 。为散射颗粒的折射率，心为周围介质的折射率，e 为小球 内的极化电场强度。 f s ：。：尘旦 c 其中， 为时域平均波印亭矢量，散射截面c 。为 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 2 3 r o ( r a y o p t i c s ) 模型 当介质颗粒尺寸远大于光波长时，可用几何光学原理来解释介质颗粒的受力 原理。在进行光作用力的计算过程中，可采用r a y o p t i c s 模型【6 3 l ，将作用对象理 想化为均匀介质球体。 首先考虑一条光线作用于介电小球产生的力，以一条光线为例，如图2 2 所示， 经过介质小球的多次折射反射，从而产生对小球的光作用力，其定量关系为： 只：竖 l + h 。0 s 2 口一坐警车盟竺霉掣 ( 2 _ 5 ) 。 c fl + 日2 十2 c o s 2 口i 、7 = 竿卜2 口一雩警等 陋 6 c il + h 2 + 2 日c o s 2 p l 。7 其中，为周围介质的折射率；户为单条光线的功率：c 为真空中的光波速度： h ，丁分别为分界面处光线的反射效率和折射效率；口，口分别为光线的入射角和 折射角。 为了得到单条光线对介质颗粒的总作用力，将散射力只和梯度力乓进行合成， 得到一个与反射角口有关的力f m 。= ( f 2 。十f 0 ”，定义与p 有关的无量纲的系数q s 、 斋 9 9 ，并且 q 。= r q ，2 十q 。“ ( 2 7 ) 则 f = 9 卫旦( 2 8 ) c 由于r o 模型基于几何 光学的原理，所以适用于 作用对象尺寸比光波长大 得多的情况，而e m 模型 适用于作用对象尺寸比光 波长小得多的情况。引文 f “1 的实验结果表明，当作 p 下h 图2 2 单条光线的几何光学计算模型 用对象尺寸比所用光波波长大一个数量级时实验结果同r 0 模型计算结构吻合较 好，而当作用对象尺寸小于所用光波波长时实验结果同e m 模型吻合较好。 2 4 作用于介电小球上的梯度力 2 4 1 光阱焦点落在z 轴上的光阱作用力 图( 2 3 a ) 为光阱焦点f 落在z 轴上的情形，其中球心0 为坐标原点，坐 标轴x y z 方向如图所示，入设光沿z 轴方向。图中r 。为物镜的半径，为物镜 的焦距，f 距球心0 的距离为s ( 取f 落在z 轴正半轴上时s o ) j 、球半径r = 1 微米。以w z 平面上的一条入射光线为例计算光阱作用力，设该光线在透镜上的 入射点距光束轴为a 、与y 轴夹角为口。图( 2 3 b ) 为w z 平面上该入射光线产 生的作用力的示意图，毋为入射光线与光轴的夹角( 当入射光线全部充满物镜时， 的最大值。由物镜的数值孔径n a 决定，n a = n i s i n ，本实验中所使用的物 镜的数值孔径n a = 1 2 5 ，n l = 1 3 3 ，所以一= 7 0 ) ，口为入射角，口为折射角。 为了计算方便，定义无量纲参量q 、铱为 q = t + h c 。s z 口一三：坚；i i 掣 c z 一。，p 。= l + h c o s 2 口一二二_ 丁二_ 二( 2 9 ) 一3 1 + 月2 + 2 c o s 2 臼 。 1 6 驴胍n z 口一 警高裳笋 r r a y i n p u ta p e r t u r e 。0 fm i co b j e c t i 、e丫 1 ， 1w 户；=；耘器 = = 荆 侨 陟千百 卜七 o ) ，入射光 线与小球表面的交点为v 。a w wf 为入射光线与光轴所在平面，口为入射光线与 f w 夹角。平面f v 0 为入射光线与法线所在的平面，入射光线的梯度力f 。和散射 力f 。就在此平面内，为入射光线和y 轴的夹角。口、y