用光推動納米顆粒-菲托牛頓分辨光散射力測量
（論文部分內(nèi)容摘抄）
光學(xué)機械操縱等離子體納米粒子是當(dāng)前感興趣的領(lǐng)域，無論是基礎(chǔ)還是應(yīng)用。然而，目前尚無實驗方法能夠確定主導(dǎo)波長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。粒子運動的鎖定分析提供了散射力的測量值。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溶液中的納米顆粒進行的可切換力測量要小一個數(shù)量級。我們將力測量結(jié)果與金納米顆粒上光學(xué)散射力的模擬結(jié)果進行了比較，發(fā)現(xiàn)實驗與理論在幾小時內(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，同時來自光纖的綠色激光將粒子推到與捕獲光束正交的方向。
使用暗場油浸物鏡和白光照明，由于在可見光波長范圍內(nèi)具有大的散射截面，可以對亞波長金納米粒子進行視頻檢測。由于光鑷激光的散射力也存在于非諧振激光波長下，金納米粒子被俘獲在略低于捕獲激光的焦點。因此，鑷子用鏡頭和擴束器預(yù)聚焦，以便將粒子移動到相機的焦點中并提高圖像質(zhì)量。視頻記錄與高速攝影機（德國Excelitas PCO公司，pco.dimax型號）在圖像獲取速度為500 fps和曝光時間為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的缺口濾波器，以避免切割的工件。利用算法對獲取的圖像序列進行了位置跟蹤。
因此，我們使用CCD相機進行光束剖面測量，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度梯度。因此，在等離子體共振頻率下用激光照射只會產(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。在綠色激光器開啟和關(guān)閉時對粒子位置分布的控制測量證實了這一點，表明這種溫度差不能被解決。
在我們的實驗條件下，熱泳效應(yīng)的可能性可以忽略不計，這一點也很重要。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到熱平衡。在整個測量過程中，光學(xué)捕獲的金顆粒的曝光時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。
使用暗場油浸物鏡和白光照明，由于在可見光波長范圍內(nèi)具有大的散射截面，可以對亞波長金納米粒子進行視頻檢測。由于光鑷激光的散射力也存在于非諧振激光波長下，金納米粒子被俘獲在略低于捕獲激光的焦點。因此，鑷子用鏡頭和擴束器預(yù)聚焦，以便將粒子移動到相機的焦點中并提高圖像質(zhì)量。視頻記錄與高速攝影機（德國Excelitas PCO公司，pco.dimax型號）在圖像獲取速度為500 fps和曝光時間為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的缺口濾波器，以避免切割的工件。利用算法對獲取的圖像序列進行了位置跟蹤。
因此，我們使用CCD相機進行光束剖面測量，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度梯度。因此，在等離子體共振頻率下用激光照射只會產(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。在綠色激光器開啟和關(guān)閉時對粒子位置分布的控制測量證實了這一點，表明這種溫度差不能被解決。
在我們的實驗條件下，熱泳效應(yīng)的可能性可以忽略不計，這一點也很重要。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到熱平衡。在整個測量過程中，光學(xué)捕獲的金顆粒的曝光時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，我們利用光機械操縱和光學(xué)鑷子相結(jié)合的方法，實驗確定了作用于單個金納米粒子的散射力。散射力在3 fN和21 fN之間測量。這種超高靈敏度是通過基于重復(fù)推動光學(xué)捕獲的金納米顆粒并在時間和頻率域中分析顆粒軌跡的準(zhǔn)鎖定技術(shù)實現(xiàn)的。將該技術(shù)應(yīng)用于空間變化的散射力場。
最后，我們通過實驗驗證了理論預(yù)測形狀和幅度。利用本文提出的方法對納米結(jié)構(gòu)上的散射力進行實驗測量，可以更定量地理解納米尺度上的光機械操縱實驗。
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