華中科大證實：纖維光鑷可在低功率下捕獲小至10納米直徑的納米粒子

光學鑷子使用光來固定三維空間中小至一個原子的微觀粒子。光學鑷子（也稱光鑷）的基本原理是光和被固定的物體之間的動量轉移。類似于水會對阻擋水流的大壩產生一個壓力，光推動并吸引著使光彎曲的物體。這種所謂的光學力可以被設計成指向空間的某一點，在那一點上的物體會受到光的壓力作用而被固定住，達到“被鉗住”的效果。因此光鑷又被稱之為光阱。

事實上，到目前為止，光學誘捕技術已經獲得了兩個諾貝爾獎，一個是1997年因保持和冷卻單原子而獲得的，另一個是2018年因為生物學家提供了研究單一生物大分子（如DNA和蛋白質）的工具而獲得。

中國華中科技大學龐元杰教授領導的研究人員對纖維光鑷（FOTs）很感興趣。這種基于光纖的光學捕集器通過用單根或多根光纖操縱光和粒子。纖維光鑷消除了對傳統的、笨重的光學附件的要求，如顯微鏡、透鏡和鏡子，同時又繼承了光纖系統的靈活性和穩健性。然而，使用FOTs誘捕10納米直徑的納米顆粒（NPs）仍然具有挑戰性。在這項研究中，龐元杰研究組建立了一個同軸波導模型，它在光學系統中工作，并支持橫向電磁（TEM）模式來誘捕NP。波導前端的單個NPs打破了TEM-like引導模式的對稱性，導致遠場的高傳輸效率，從而強烈地改變了光動量并誘發了對粒子的大規模反向作用。

研究人員通過有限差分時域（FDTD）模擬證明，這種FOT允許在低功率下捕獲單個10納米直徑的NPs。

這項題為 "Optical trapping using transverse electromagnetic (TEM)-like mode in a coaxial nanowaveguide"的研究于2021年12月6日刊登在《光電子學前沿》的封面。

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論文原文

https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs12200-021-1134-3

標簽： 纖維光鑷 光阱 光纖