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降雨强研究组在线偏振飞秒捕获方面取得新进展

  激光光镊技术自发明以来,已经在物理、化学,特别是在生物物理、生物医学等领域取得了巨大的成就,2018年获得诺贝尔物理学奖。在传统的光镊中,通常采用连续激光作为操纵光源,一束高斯光束聚焦后仅能形成一个光阱。多光阱的形成需要借助其他复杂的技术或者器件,如分时(time sharing),衍射光学器件(diffractive optics)等。而且传统光镊受光阱之间相互作用的影响,光阱之间的距离不能低于衍射极限。如果需要形成距离小于衍射极限的多光阱,需要借助较为复杂的微加工等技术来实现。 

 

  分子发育生物学国家重点实验室降雨强研究组通过线偏振飞秒基模高斯光束与金纳米颗粒的非线性相互作用,首次从实验上证实了单光束基于非线性效应产生的三维壳形势阱(3-dimensional shell-like potential well),如图a所示。金纳米颗粒可以被捕获在三维势阱中的一些特定位置上,并形成多光阱捕获。相比传统的光学捕获方法,非线性光学捕获最为吸引人的特点是劈裂产生的光势阱之间的间距可以突破衍射极限。该文中实现了最小为100nm的光势阱间距(捕获波长840nm,物镜数值孔径1.40,金纳米颗粒直径60nm),如图b所示。不同于等离子体光镊需要复杂的纳米微加工才能形成超衍射极限的颗粒操纵,我们利用全光学方法实现了远场超衍射极限的多点金纳米颗粒捕获。该工作将极大地加深和拓展我们对非线性光学捕获的认识,并将在光学加工、微制造、光学印刷等领域产生广泛的应用。 

 

  相关研究结果于2020821日在Nanophotonics上在线发表(DOI:10.1515/nanoph-2020-0288)。该工作与山西大学肖连团教授和中央民族大学郭红莲教授合作完成。降雨强组助理研究员黄璐、博士研究生秦亚强与已毕业研究生靳云峰为该文章的共同第一作者。降雨强研究员与肖连团教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划及分子发育生物学国家重点实验室开放课题等项目支持。 

  

a:飞秒光镊捕获金纳米颗粒时,焦点处三维劈裂势阱的数值模拟; 

  b:当捕获功率降低时,劈裂势阱间距降至衍射极限以下。