鄧海東，楊小紅

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，510642，廣州)

水溶液中聚苯乙烯小球的單光束光操縱及有序結(jié)構(gòu)的形成

鄧海東，楊小紅

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，510642，廣州)

利用單束強聚焦激光對懸浮于水中的聚苯乙烯小球進行了二維的光操縱，并研究了聚苯乙烯小球在光阱中的動力學(xué)過程。實驗果表明：在切向光梯度力的作用下，聚苯乙烯小球會在樣品盒的襯底上發(fā)生自組裝行為形成二維有序的六角密排的周期性結(jié)構(gòu)。利用這種單光束光組裝的方法，在玻璃基底上制備了聚苯乙烯小球二維有序周期性結(jié)構(gòu)。該研究結(jié)果將為利用單光強聚焦激光來制備微納光子多功能器件提供理論依據(jù)及實驗參考。

光操縱；聚苯乙烯小球；光學(xué)組裝

0 引言

自1986年貝爾實驗室的科學(xué)家A Ashkin利用光壓的方法成功地實現(xiàn)對微米粒子的操控之后[1]，光操縱技術(shù)一直是納米光子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點，光鑷技術(shù)不僅極大地擴展了激光在科技領(lǐng)域中的應(yīng)用，而且為科研工作者探索微觀世界的物理知識提供了一種全新的技術(shù)手段。

在此后的20年里，光操縱技術(shù)得到了迅速發(fā)展，由最初的單粒子操縱[1]發(fā)展到多粒子操縱[2]、從微米粒子操縱[3]發(fā)展到納米粒子操縱[4]、從球形粒子操縱[2]發(fā)展到不規(guī)則形狀粒子的操縱[5]、從最初的聚合物粒子操控[2]發(fā)展到金屬粒子[6-8]以及量子點的操控[9]。在大多數(shù)研究中，人們希望采用激光操縱的方法將大量的微納米粒子組裝成一個有序結(jié)構(gòu)。于是，在20世紀(jì)90年代，Burn等人首次提出了光物質(zhì)(optical mat-ter)的概念[10]。所謂光物質(zhì)，就是由光子產(chǎn)生并且維持的有序結(jié)構(gòu)，有時又稱為動態(tài)光子晶體。顧名思義，它們與光子晶體相比，具有動態(tài)和可逆2個獨特的物理性質(zhì)。迄今為止，人們提出了基于不同物理機制的多粒子操縱方法，如光全息(hologram)[11]，光束縛(optical binding)[12]，衰逝波(evanescent wave)[13]，以及表面等離子體波(surface plasmon)[14]等，其中比較流行的要數(shù)光全息技術(shù)[11]。然而，由光全息技術(shù)制備的光物質(zhì)的質(zhì)量還遠沒有達到實際應(yīng)用的需要。

本文利用單光束對聚苯乙烯小球的光力作用，實現(xiàn)了對多個聚苯乙烯小球的光捕獲，同時結(jié)合切向光梯度力的作用，將被光阱捕獲的聚苯乙烯小球組裝成了二維有序的周期性結(jié)構(gòu)。

1 樣品制備及實驗裝置

在光操縱的過程中，為了克服微納米粒子自身重力帶來的影響，微納米粒子都是懸浮于溶液當(dāng)中。聚苯乙烯小球溶液由于其分散性好，小球懸浮于水中等優(yōu)點常被當(dāng)作單粒子及多粒子光操縱的主要對象。在實驗中采用的聚苯乙烯小球的平均直徑為1.9 μm，體積分?jǐn)?shù)為8%。為防止聚苯乙烯小球發(fā)生團聚，聚苯乙烯小球溶液先經(jīng)水浴超聲器超聲，然后利用注射器將樣品注入到厚度為50 μm的玻璃樣品盒中。

圖1 單光束光操縱實驗裝置圖

實驗中采用的實驗裝置如圖1所示。由固體激光器發(fā)出的波長為532 nm，功率為15 mW(物鏡后測量)的激光(Mira)進入倒置熒光顯微鏡(Zeiss Company)經(jīng)二向色鏡反射后通過100X的物鏡聚焦后作用在樣品上。聚苯乙烯小球在聚焦激光作用下的動力學(xué)過程以及組裝生成的二維有序結(jié)構(gòu)可以利用顯微鏡自帶的數(shù)碼相機(CCD)來觀察并通過拍照的方式加以記錄，單張CCD圖片的曝光時間為200 ms。

2 實驗結(jié)果及理論分析

2.1聚苯乙烯小球在聚焦高斯激光作用下的受力分析

根據(jù)參考文獻[1]可知，介質(zhì)粒子(粒子對入射激光的吸收可以忽略)在聚焦高斯光束作用收到2種力的作用：一種為梯度力，一種為散射力。其中梯度力是由光場的梯度引起的，按照聚焦高斯光束的光場分布，梯度力又可以分為切向梯度力，力的方向是垂直并指向光軸，如圖2中F1標(biāo)識的力；另一種梯度力為縱向梯度力，該力主要是由于激光聚焦后在沿光軸方向形成的梯度引起的，力的方向是平行于光軸而指向光束的焦點，如圖2中F2標(biāo)識的力。而光散射力的方向是沿著光傳播方向的，如圖2中F3標(biāo)識的力。當(dāng)聚苯乙烯小球在聚焦激光作用下受的3個力達到平衡時(聚苯乙烯小球所受外力為零)，聚苯乙烯小球能夠被激光束穩(wěn)定的捕獲住。通過圖2可以看出，只有處在激光束焦面以上(圖2中焦面右邊)的小球才能被激光穩(wěn)定的捕獲，而處于激光束焦面以下(圖2中焦面右邊)的小球會被激光散射到焦面以上并被激光捕獲。

F1:切向梯度力；F2:縱向梯度力；F3:散射力

圖2 聚苯乙烯小球在聚焦激光作用下的受力情況

在實驗中，聚苯乙烯小球的光捕獲不僅和物鏡的倍數(shù)、入射激光功率等因素有關(guān)，還與激光焦平面與樣品盒的相對位置有著密切的關(guān)系。通過調(diào)整物鏡的位置，使得激光聚焦后的焦平面位于下玻片往上3 m的位置，這樣既能實現(xiàn)聚苯乙烯小球穩(wěn)定光捕獲而且可以利用下玻片為襯底對被激光捕獲住的聚苯乙烯小球進行二維的自組裝。

2.2聚苯乙烯小球的光操縱及二維組裝

圖3所示為聚苯乙烯小球在被激光捕獲并組裝形成二維有序結(jié)構(gòu)的過程。其中圖3(a)為激光作用之前，聚苯乙烯小球在水中的分布情況，聚苯乙烯小球成單分散狀態(tài)，小球彼此沒有發(fā)生團聚現(xiàn)象。當(dāng)功率為15 mW的激光一打開，有大量的小球往光斑中心聚集，小球在切向光梯度力的作用下形成小面積的二維有序結(jié)構(gòu)，如圖3(b)所示；隨著激光作用時間延續(xù)到10 s，此時有更多的小球被捕獲至光斑區(qū)域，二維有序機構(gòu)隨著被激光捕獲小球數(shù)量的增加而逐漸增大，如圖3(c)所示；通過圖3(d)～(f)可以看出，隨著激光作用時間的持續(xù)，二維周期性結(jié)構(gòu)的面積會進一步增加，但是從另一個方面可以看出，二維周期性結(jié)構(gòu)的面積生長的越大，周期性結(jié)構(gòu)外圍的結(jié)構(gòu)會變的越松散，這表明越靠近光斑外圍，小球所受到的切向梯度力越小，梯度已經(jīng)無法抑制小球的布朗運動，因而外圍小球無法形成緊密的有序結(jié)構(gòu)。此時，雖然激光的作用還在持續(xù)，但是二維周期性結(jié)構(gòu)的面積無法進一步增加。

(a)激光未打開；(b)激光作用時間t=10 s；(c)t=20 s；(d)t=40 s；(e)t=80 s；(f)t=2 min

在實驗過程中，除了可以利用顯微鏡上的CCD來觀察聚苯乙烯小球的組裝過程，聚苯乙烯小球?qū)θ肷浼す獾纳⑸淠Ｊ揭部梢杂脕肀碚魃啥S周期性結(jié)構(gòu)的有序度。激光通過二維有序結(jié)構(gòu)衍射后在物鏡后方的接收屏上可以接收到清晰的衍射圖案，如圖4所示。通過圖4可以清晰的分辨出二維有序結(jié)構(gòu)對入射激光的三級衍射光斑。該實驗結(jié)果表明，利用這種方法制備的二維有序結(jié)構(gòu)具有非常好的有序性。

圖4 聚苯乙烯小球二維有序結(jié)構(gòu)對入射激光的衍射圖樣

3 總結(jié)

利用單光束聚焦激光，系統(tǒng)的研究了聚苯乙烯小球在光力作用下的組裝過程，在低功率下(15 mW)制備了大面積二維有序的周期性結(jié)構(gòu)。該實驗結(jié)果對利用單光束實現(xiàn)多粒子光操縱及自組裝具有重要的參考價值及指導(dǎo)意義。

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OpticalTrappingandAssemblyofPolystyreneSphereswithaSingleFocusedLaserBeam

DENG Haidong,YANG Xiaohong

(College of Science,South China Agricultural University,510642,Guangzhou,PRC)

The two dimensional optical trapping of polystyrene spheres suspended in water was realized by using a single focused laser beam and the dynamics of trapped polystyrene spheres in the optical trap was investigated with the inverted microscopy in this paper.It was found that the trapped polystyrene spheres can be assembled into a two dimensional ordered structure on the substrate of the sample cell due to the large transverse optical gradient force.The results presented in this work are helpful for understanding the optical trapping and the assembly of a large number that may find applications in the fabrication of functional devices.

optical trapping;polystyrene spheres;optical assembly

2014-05-05;

2014-06-25

鄧海東(1976-)，男，博士，講師，研究方向：納米光子學(xué)。

廣東省自然科學(xué)基金(NO:S2012040007719)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.04.016

O439

A

1001-3679(2014)04-0495-04