[发明专利]一种集成光纤探针型近场光镊与AFM测量近场光阱力的方法

说明书

技术领域

本发明涉及近场光学和纳米操作领域，特别涉及一种集成光纤探针型近场光镊与AFM测量近场光阱力的方法。

背景技术

利用光的力学效应所产生的皮牛量级的作用力，远场光镊在激光焦点处可以实现对微小粒子(亚微米到数十微米大小)的精确定位和操作，但由于受光学衍射极限的限制其捕获尺寸仅局限在微米量级，另外由于聚焦光斑尺寸的拉长，光学势阱附近会出现多余微粒的捕获，因此其捕获精度和稳定性也将受到影响。由于光学操作方法的基本原理在于光阱力对物体的作用效应，所以对微粒的光学操作并不局限于远场的聚焦光束，利用物体表面迅速衰减的近场同样可以实现对微粒的定向操作。物体表面亚波长区域(近场区域)内存在一种迅速衰减的隐失场，该局域隐失场在近场区域内起主导作用。微粒置于隐失场时能将该隐失场转化为传播场，在转化过程中光子动量发生改变，相应地微粒的动量也发生改变，从而对微粒产生力的作用。光纤探针型近场光镊即利用这种局域隐失场来对微粒进行纳米操作，该方法可以突破衍射极限，有可能实现几十纳米微粒的操作，另外由于作用范围与捕获空间非常小，该方法还可以消除远场光镊中那种背景干扰现象。在纳米操作系统小型化和集成化的趋势下，与远场光镊相比，光纤探针型近场光镊更易集成于系统之中，因此该方法将成为纳米微粒和生物单分子最强有力的操作工具之一。光阱力是光纤探针型近场光镊操作性能的重要参数之一，因此近场光学操作过程中需要对光阱力进行标定，但由于缺乏对近场光阱力信号的测量，这种高精度的纳米操作技术受到了极大的限制。

远场光镊常用流体力学方法对光阱力进行标定和测量。在相对静止的液体环境中将微粒捕获后，通过控制样品池的移动使微粒相对液体环境产生一个定向运动，若移动速度大于微粒在光学势阱中的逃逸速度，微粒受到的流体粘滞力将大于光阱力，利用这一速度可以计算出微粒相对周围液体运动时与光阱力相平衡的粘滞阻力，从而实现对光阱力的测量。应用该方法对光纤探针型近场光镊的光阱力进行测量时，由于光纤探针型近场光镊的光阱力及捕获尺寸分别在在飞牛级与纳米级，因此在精确控制样品池的移动位置及移动速度方面提出了更高的要求。此外，由于在光阱力测量过程中需要记录相应时刻被捕获微粒的位移，因此需要一套能够实现更高精度位移测量的图像显示和数据处理系统。通过对微粒操作过程的记录，所得的微粒移动图像序列都包含了相应时刻的位置信息，将图像进行处理后直接比较微粒图像边缘的位置变动，可得到相应时刻的微粒位移信息，但目前图像处理技术难以在纳米范围内有效地抑制杂波信号和非目标信号的影响，因此高精度位移测量实现起来有一定的困难。可见，由于光纤探针型近场光镊的光阱力及微粒的捕获尺寸都要远小于远场光镊相应大小，测量光阱力时对系统的灵敏度及观测精度要求更高，因此难以利用流体力学方法对近场光阱力进行测量与标定。为实现对近场光阱力的测量，需要寻找一种新的探测方法，通过对近场光阱力的研究进而了解光纤探针型近场光镊的操作性能。

发明内容

本发明的目的在于为克服流体力学探测方法的不便，提出一种集成光纤探针型近场光镊与AFM测量近场光阱力的方法，运用该方法获取AFM探针逼近与离开基底表面时的力-距离曲线，通过比较外加近场前后的力-距离曲线而得出近场光阱力的大小与分布情况。

实现近场光阱力定量测量的基本原理是利用光纤探针附近隐失场扰动所产生的光阱力来引起AFM探针逼近和离开基底时力-距离曲线的变化。根据近场光学理论，在物体表面的光场包含两种光学成分，一种是由物体粗糙结构产生的可以向远处传播的传播场，另一种是由物体纳米结构产生的局域于物体表面，但在物体表面之外迅速衰减的非辐射隐失场。光学衍射极限建立在传播场的基础上，近场隐失场并不受其约束，因此近场光纤探针所产生的隐失场不受衍射极限的限制，能够在远小于波长的距离范围内显示局部的强烈变化。通过采用一个小的有限物体(如AFM探针)可以将隐失场转换成传播场并产生新的隐失场，在转换过程中有限物体会受到光阱力的作用。因此，若在AFM探针逼近与离开基底表面获取力-距离曲线的过程中通过光纤探针外加一个近场光场，AFM探针有限的纳米针尖结构能够把隐失场转换成传播场，AFM针尖因此而受到光阱力的作用。AFM探针受到的光阱力方向可根据光动力学原理来判断，光阱力大小可由时域有限差分法和麦克斯韦应力张量积分计算出来。在光阱力的影响下，外加近场后获得的作用力对探针-基底间距离的关系曲线在细节上会有不同，通过比较加入近场前后分别获取的力-距离关系曲线，可以实现对光纤探针型近场光镊光阱力的测量。