用光推動(dòng)納米顆粒-菲托牛頓分辨光散射力測(cè)量
（論文部分內(nèi)容摘抄）
光學(xué)機(jī)械操縱等離子體納米粒子是當(dāng)前感興趣的領(lǐng)域，無(wú)論是基礎(chǔ)還是應(yīng)用。然而，目前尚無(wú)實(shí)驗(yàn)方法能夠確定主導(dǎo)波長(zhǎng)接近等離子體共振的入射光的前向散射力。在這里，我們展示了如何測(cè)量作用于溶液中金納米粒子的散射力。光學(xué)捕獲的80nm粒子被重復(fù)地從側(cè)面推入與粒子等離子體頻率共振的激光。粒子運(yùn)動(dòng)的鎖定分析提供了散射力的測(cè)量值。我們獲得的分辨率小于3 fN，這比迄今為止使用單光束光鑷子對(duì)溶液中的納米顆粒進(jìn)行的可切換力測(cè)量要小一個(gè)數(shù)量級(jí)。我們將力測(cè)量結(jié)果與金納米顆粒上光學(xué)散射力的模擬結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)與理論在幾小時(shí)內(nèi)有很好的一致性。
圖為用聚焦近紅外激光將金納米粒子困在水中的顯微鏡設(shè)置示意圖，同時(shí)來(lái)自光纖的綠色激光將粒子推到與捕獲光束正交的方向。
使用暗場(chǎng)油浸物鏡和白光照明，由于在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有大的散射截面，可以對(duì)亞波長(zhǎng)金納米粒子進(jìn)行視頻檢測(cè)。由于光鑷激光的散射力也存在于非諧振激光波長(zhǎng)下，金納米粒子被俘獲在略低于捕獲激光的焦點(diǎn)。因此，鑷子用鏡頭和擴(kuò)束器預(yù)聚焦，以便將粒子移動(dòng)到相機(jī)的焦點(diǎn)中并提高圖像質(zhì)量。視頻記錄與高速攝影機(jī)（德國(guó)Excelitas PCO公司，pco.dimax型號(hào)）在圖像獲取速度為500 fps和曝光時(shí)間為1.9 ms的情況下，在成像路徑中設(shè)置了用于兩種激光波長(zhǎng)的缺口濾波器，以避免切割的工件。利用算法對(duì)獲取的圖像序列進(jìn)行了位置跟蹤。
因此，我們使用CCD相機(jī)進(jìn)行光束剖面測(cè)量，并確定光束寬度為6士2 pm，并校正了水的折射率。由于金納米顆粒的直徑(80 nm)遠(yuǎn)小于該光束寬度，因此可以忽略空間強(qiáng)度梯度。因此，在等離子體共振頻率下用激光照射只會(huì)產(chǎn)生正向散射力。共振激光的功率密度選擇得非常低因此加熱效應(yīng)在這里不起作用。在綠色激光器開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)對(duì)粒子位置分布的控制測(cè)量證實(shí)了這一點(diǎn)，表明這種溫度差不能被解決。
在我們的實(shí)驗(yàn)條件下，熱泳效應(yīng)的可能性可以忽略不計(jì)，這一點(diǎn)也很重要。熱泳效應(yīng)是指由于等離子體加熱而沿溫度梯度推動(dòng)顆粒。由于金的高熱導(dǎo)率，金納米顆粒在激光照射后立即達(dá)到熱平衡。在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，光學(xué)捕獲的金顆粒的曝光時(shí)間在幾毫秒的范圍內(nèi)。雖然顆粒只從一側(cè)照射，但顆粒的溫度是完全均勻的。
使用暗場(chǎng)油浸物鏡和白光照明，由于在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有大的散射截面，可以對(duì)亞波長(zhǎng)金納米粒子進(jìn)行視頻檢測(cè)。由于光鑷激光的散射力也存在于非諧振激光波長(zhǎng)下，金納米粒子被俘獲在略低于捕獲激光的焦點(diǎn)。因此，鑷子用鏡頭和擴(kuò)束器預(yù)聚焦，以便將粒子移動(dòng)到相機(jī)的焦點(diǎn)中并提高圖像質(zhì)量。視頻記錄與高速攝影機(jī)（德國(guó)Excelitas PCO公司，pco.dimax型號(hào)）在圖像獲取速度為500 fps和曝光時(shí)間為1.9 ms的情況下，在成像路徑中設(shè)置了用于兩種激光波長(zhǎng)的缺口濾波器，以避免切割的工件。利用算法對(duì)獲取的圖像序列進(jìn)行了位置跟蹤。
因此，我們使用CCD相機(jī)進(jìn)行光束剖面測(cè)量，并確定光束寬度為6士2 pm，并校正了水的折射率。由于金納米顆粒的直徑(80 nm)遠(yuǎn)小于該光束寬度，因此可以忽略空間強(qiáng)度梯度。因此，在等離子體共振頻率下用激光照射只會(huì)產(chǎn)生正向散射力。共振激光的功率密度選擇得非常低因此加熱效應(yīng)在這里不起作用。在綠色激光器開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)對(duì)粒子位置分布的控制測(cè)量證實(shí)了這一點(diǎn)，表明這種溫度差不能被解決。
在我們的實(shí)驗(yàn)條件下，熱泳效應(yīng)的可能性可以忽略不計(jì)，這一點(diǎn)也很重要。熱泳效應(yīng)是指由于等離子體加熱而沿溫度梯度推動(dòng)顆粒。由于金的高熱導(dǎo)率，金納米顆粒在激光照射后立即達(dá)到熱平衡。在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，光學(xué)捕獲的金顆粒的曝光時(shí)間在幾毫秒的范圍內(nèi)。雖然顆粒只從一側(cè)照射，但顆粒的溫度是完全均勻的。
綜上所述，我們利用光機(jī)械操縱和光學(xué)鑷子相結(jié)合的方法，實(shí)驗(yàn)確定了作用于單個(gè)金納米粒子的散射力。散射力在3 fN和21 fN之間測(cè)量。這種超高靈敏度是通過(guò)基于重復(fù)推動(dòng)光學(xué)捕獲的金納米顆粒并在時(shí)間和頻率域中分析顆粒軌跡的準(zhǔn)鎖定技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。將該技術(shù)應(yīng)用于空間變化的散射力場(chǎng)。
最后，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)形狀和幅度。利用本文提出的方法對(duì)納米結(jié)構(gòu)上的散射力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，可以更定量地理解納米尺度上的光機(jī)械操縱實(shí)驗(yàn)。
德國(guó)Excelitas PCO公司pco.dimax高速相機(jī)，具備高分辨率、高感光度、高幀率的優(yōu)點(diǎn)，將高速實(shí)驗(yàn)過(guò)程完美記錄，為實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)而有力的圖像數(shù)據(jù)支持。
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