一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带
(一)技术领域
1.本发明涉及微纳光学、等离子体光镊领域，具体是由一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带。
(二)
背景技术：
2.随着微纳加工工艺的进步和发展，表面等离激元波的现象和原理受到了科学家广泛的关注。一般认为，在入射光的激发下，金属表面会激发自由电子，当入射光和金属表面的自由电子的振荡频率一致时，在金属和介质的交界面出就会产表面等离激元波。表面等离激元波在纵向的传播的时候呈现几何式衰减，是一种倏逝波。表面等离激元波可以将电磁波局域到一个近场区域，实现极大的电场增强。表面等离激元波可以广泛的应用在诸多光学领域，包括微纳光电子器件，光学传感，太阳能电池等诸多领域。通过设计不同的可以产生表面等离激元共振的微纳结构，不断地挖掘表面等离激元在新领域的应用，已经成为了等离激元学的主要发展趋势。当金属介质交界面的表面等离激元波被激发后，产生的表面等离激元可以分为两类：传播型的等离激元和局域表面等离激元两种。局域表面等离激元的激发比较容易。局域表面等离激元在异常透射、拉曼传感、微纳粒子捕获等领域具有巨大的应用前景。
3.近十年来依托局域等离激元的等离子体光镊得到了蓬勃的发展。其研究的重点在于设计不同的局域等离激元结构在特定的波长下产生等离子体共振。当纳米粒子靠近等离激元共振的中心时，会受到指向电场梯度最大位置的梯度力，和沿着电场传播方向的散射力。对于透明的纳米粒子，梯度力要远大于散射力，处在共振阶段的局域等离激元结构可以牢牢将粒子吸附在共振结构的表面。基于微纳结构的等离子体光镊相对于传统的激光光束光镊具有先天的优势。传统的激光光束光镊需要通过物镜的聚焦，这样就受到了衍射极限的限制，很难捕获1um直径以下下的粒子。基于微纳结构的等离子体光镊可以克服衍射极限的限制，利用等离子体共振在共振结构周围实现极大的近场增强从而捕获微小的纳米粒子。进一步的，科学家们利用光的入射信息(波长、相位、偏振态)来控制局域等离激元共振激发的位置，就可以切换切换相邻的捕获位置，实现纳米粒子的传送。
4.近年来，越来越多的等离子体传送带被提出并加以研究，例如，通过设计对入射光偏振态敏感的结构，实现是用入射光偏振态对俘获位置的调控。结合电调控材料如石墨烯等对等离激元共振位置的切换，实现俘获粒子的传送的功能。
5.本发明专利提出了一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带。本发明专利相对于其他的等离子体传送带相比，结构设计更加简单，操控方式灵活有着更大的俘获深度。只需要控制入射光的波长就可以实现粒子的捕获和传送。因此本发明提供的一种对称金属条等离子体粒子传送带将在未来基于片上光子器件，片上实验室，增强拉曼传感等诸多领域具有十分重要的应用价值。
(三)
技术实现要素：
6.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带及其实现方法。
7.本发明的目的是这样实现的：
8.一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带自下而上一次包括介质衬底4，和对称金属条带。对称金属条带1的材料为au、对称金属条带2的材料为ag，对称金属条带3的材料为al。每个对称金属条带由两个独立的金属条组成。一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带的工作环境为折射率为1.33的水溶液。入射光的功率为20mw/um^2。
9.本发明的相对与之前的工作具有以下的优点：
10.(1)结构相对简单，加工相对容易，不需要制作复杂的掩膜板；(2)本发明通过设计排列不同材料对称金属条带，利用不同金属的具有不同的共振波长的特性，通过改变入射光的波长，切换等离子体共振的位置，实现粒子的传送功能；(3)本发明可以在相对较低的入射光功率下实现接近-10kbt的俘获深度。
(四)附图说明
11.图1是一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带及其实现方法的原理示意图。
12.图2是一种对称金属条等离子体粒子传送带的二维结构xy面示意图。
13.图3入射光波长为980nm的y轴线偏振光时，粒子的中心位置在金属条带上表面上方60nm处、x轴方向-200nm～0nm移动时粒子所受到的方向的光学力。
14.图4入射光波长为840nm的y轴线偏振光时，粒子的中心位置在金属条带上表面上方60nm处、x轴方向-100nm～100nm移动时粒子所受到的x方向的光学力。
15.图5入射光波长为650nm的y轴线偏振光时，粒子的中心位置在金属条带上表面上方60nm处、x轴方向0nm～200nm移动时粒子所受到的x方向的光学力。
16.图6根据图3、4、5中所示的粒子光学力，计算出来的粒子分别在-200nm～0nm、-100nm～100nm、0nm～200nm时的俘获深度。
17.图中标号为：(1)、au对称金属条带，(2)、ag对称金属条带，(3)、al金对称金属条带，(4)、sio2介质衬底。
(五)具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
19.本发明是一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带，如图1所示，其结构为对称的au金属条带1，对称的ag金属条带2，对称的al金属条带3，sio2衬底4。入射光为平面波，入射光波矢k与z轴平行沿着负方向垂直正入射到本器件上，且入射光的偏振方向(电场方向)垂直于波矢k在xz平面内平行于y轴，磁场方向平行于x轴。
20.如图2所示，为一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带的二维结构xz面示意图。如图2所示，工作在最佳时，每个对称金属条带由光宇x轴对称的上下两部分组成。其中每个独立的金属条带的宽度为w＝40nm，高度h＝80nm，长度a＝100nm。两个独立的
金属条带上下的间距为t＝30nm。相邻的对称金属条带的间距g＝40nm。
21.粒子受到的光学力可以用以下的公式计算。
[0022][0023]
其中t为麦克斯韦应力张量，n为积分面的法向矢量方向。粒子受到光学力产生的俘获深度可以用以下的公式计算：
[0024][0025]
其中kb为玻尔兹曼常数,t为工作环境的温度,f为粒子受到的光学力，r0为粒子移动的距离。
[0026]
如图3所示，入射光波长为980nm时，纳米粒子(折射率为1.6，半径为50nm)的中心位置在金属条带上表面上方60nm处，在x轴-200nm～0nm移动时所受到的光学力。在au对称条带中心位置(-80nm)的左边受到的是正力(fx》0),在au对称条带中心位置(-80nm)的右边受到的是负力(fx《0)。纳米在z轴方向受到的力均为负力fz《0。这证明了au对称金属条带可以将粒子捕获在正中央。
[0027]
如图4所示，入射光波长为840nm时，纳米粒子(折射率为1.6，半径为50nm)的中心位置在金属条带上表面上方60nm处，在x轴-100nm～100nm移动时所受到的光学力。在ag对称条带中心位置(0nm)的左边受到的是正力(fx》0),在ag对称条带中心位置(0nm)的右边受到的是负力(fx《0)。纳米在z轴方向受到的力均为负力fz《0。这证明了ag对称金属条带可以将粒子捕获在正中央。
[0028]
如图5所示，入射光波长为650nm时，纳米粒子(折射率为1.6，半径为50nm)的中心位置在金属条带上表面上方60nm处，在x轴0nm～200nm移动时所受到的光学力。在al对称条带中心位置(80nm)的左边受到的是正力(fx》0),在al对称条带中心位置(80nm)的右边受到的是负力(fx《0)。纳米在z轴方向受到的力均为负力fz《0。这证明了al对称金属条带可以将粒子捕获在正中央。
[0029]
如图6所示，纳米粒子(折射率为1.6，半径为50nm)的中心位置在金属条带上表面上方60nm处，粒子分别在-200nm～0nm、-100nm～100nm、0～200nm，波长分别为980nm、840nm、650nm时，由对应的光学力所产生的俘获深度。从图中可以看出，三个俘获深度都接近-10kbt，这保证了稳定的捕获。三个俘获深度的谱线都包含了旁边的俘获谷，这表明了，只要切换俘获位置，就可以实现粒子的传送。
[0030]
本发明的一种基于对称金属条带结构的等离子体粒子传送带，利用不同材料的金属具有不同的共振频率的特点，动态的操纵局域离激元共振产生的位置，实现了纳米粒子传送的功能。本发明的纳米粒子传送带具有结构简单，厚度极小的特点。且能在加工完成之后利用调控入射光波长实现粒子捕获和传送的功能，微纳加工、增强拉曼传感等方面发挥很大的作用。
[0031]
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。