水溶液中聚苯乙烯小球的单光束光操纵及有序结构的形成

邓海东，杨小红

(华南农业大学理学院，510642，广州)

水溶液中聚苯乙烯小球的单光束光操纵及有序结构的形成

邓海东，杨小红

(华南农业大学理学院，510642，广州)

利用单束强聚焦激光对悬浮于水中的聚苯乙烯小球进行了二维的光操纵，并研究了聚苯乙烯小球在光阱中的动力学过程。实验果表明：在切向光梯度力的作用下，聚苯乙烯小球会在样品盒的衬底上发生自组装行为形成二维有序的六角密排的周期性结构。利用这种单光束光组装的方法，在玻璃基底上制备了聚苯乙烯小球二维有序周期性结构。该研究结果将为利用单光强聚焦激光来制备微纳光子多功能器件提供理论依据及实验参考。

光操纵；聚苯乙烯小球；光学组装

0 引言

自1986年贝尔实验室的科学家A Ashkin利用光压的方法成功地实现对微米粒子的操控之后[1]，光操纵技术一直是纳米光子学领域的研究热点，光镊技术不仅极大地扩展了激光在科技领域中的应用，而且为科研工作者探索微观世界的物理知识提供了一种全新的技术手段。

在此后的20年里，光操纵技术得到了迅速发展，由最初的单粒子操纵[1]发展到多粒子操纵[2]、从微米粒子操纵[3]发展到纳米粒子操纵[4]、从球形粒子操纵[2]发展到不规则形状粒子的操纵[5]、从最初的聚合物粒子操控[2]发展到金属粒子[6-8]以及量子点的操控[9]。在大多数研究中，人们希望采用激光操纵的方法将大量的微纳米粒子组装成一个有序结构。于是，在20世纪90年代，Burn等人首次提出了光物质(optical mat-ter)的概念[10]。所谓光物质，就是由光子产生并且维持的有序结构，有时又称为动态光子晶体。顾名思义，它们与光子晶体相比，具有动态和可逆2个独特的物理性质。迄今为止，人们提出了基于不同物理机制的多粒子操纵方法，如光全息(hologram)[11]，光束缚(optical binding)[12]，衰逝波(evanescent wave)[13]，以及表面等离子体波(surface plasmon)[14]等，其中比较流行的要数光全息技术[11]。然而，由光全息技术制备的光物质的质量还远没有达到实际应用的需要。

本文利用单光束对聚苯乙烯小球的光力作用，实现了对多个聚苯乙烯小球的光捕获，同时结合切向光梯度力的作用，将被光阱捕获的聚苯乙烯小球组装成了二维有序的周期性结构。

1 样品制备及实验装置

在光操纵的过程中，为了克服微纳米粒子自身重力带来的影响，微纳米粒子都是悬浮于溶液当中。聚苯乙烯小球溶液由于其分散性好，小球悬浮于水中等优点常被当作单粒子及多粒子光操纵的主要对象。在实验中采用的聚苯乙烯小球的平均直径为1.9 μm，体积分数为8%。为防止聚苯乙烯小球发生团聚，聚苯乙烯小球溶液先经水浴超声器超声，然后利用注射器将样品注入到厚度为50 μm的玻璃样品盒中。

图1 单光束光操纵实验装置图

实验中采用的实验装置如图1所示。由固体激光器发出的波长为532 nm，功率为15 mW(物镜后测量)的激光(Mira)进入倒置荧光显微镜(Zeiss Company)经二向色镜反射后通过100X的物镜聚焦后作用在样品上。聚苯乙烯小球在聚焦激光作用下的动力学过程以及组装生成的二维有序结构可以利用显微镜自带的数码相机(CCD)来观察并通过拍照的方式加以记录，单张CCD图片的曝光时间为200 ms。

2 实验结果及理论分析

2.1聚苯乙烯小球在聚焦高斯激光作用下的受力分析

根据参考文献[1]可知，介质粒子(粒子对入射激光的吸收可以忽略)在聚焦高斯光束作用收到2种力的作用：一种为梯度力，一种为散射力。其中梯度力是由光场的梯度引起的，按照聚焦高斯光束的光场分布，梯度力又可以分为切向梯度力，力的方向是垂直并指向光轴，如图2中F1标识的力；另一种梯度力为纵向梯度力，该力主要是由于激光聚焦后在沿光轴方向形成的梯度引起的，力的方向是平行于光轴而指向光束的焦点，如图2中F2标识的力。而光散射力的方向是沿着光传播方向的，如图2中F3标识的力。当聚苯乙烯小球在聚焦激光作用下受的3个力达到平衡时(聚苯乙烯小球所受外力为零)，聚苯乙烯小球能够被激光束稳定的捕获住。通过图2可以看出，只有处在激光束焦面以上(图2中焦面右边)的小球才能被激光稳定的捕获，而处于激光束焦面以下(图2中焦面右边)的小球会被激光散射到焦面以上并被激光捕获。

F1:切向梯度力；F2:纵向梯度力；F3:散射力

图2 聚苯乙烯小球在聚焦激光作用下的受力情况

在实验中，聚苯乙烯小球的光捕获不仅和物镜的倍数、入射激光功率等因素有关，还与激光焦平面与样品盒的相对位置有着密切的关系。通过调整物镜的位置，使得激光聚焦后的焦平面位于下玻片往上3 m的位置，这样既能实现聚苯乙烯小球稳定光捕获而且可以利用下玻片为衬底对被激光捕获住的聚苯乙烯小球进行二维的自组装。

2.2聚苯乙烯小球的光操纵及二维组装

图3所示为聚苯乙烯小球在被激光捕获并组装形成二维有序结构的过程。其中图3(a)为激光作用之前，聚苯乙烯小球在水中的分布情况，聚苯乙烯小球成单分散状态，小球彼此没有发生团聚现象。当功率为15 mW的激光一打开，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积的二维有序结构，如图3(b)所示；随着激光作用时间延续到10 s，此时有更多的小球被捕获至光斑区域，二维有序机构随着被激光捕获小球数量的增加而逐渐增大，如图3(c)所示；通过图3(d)～(f)可以看出，随着激光作用时间的持续，二维周期性结构的面积会进一步增加，但是从另一个方面可以看出，二维周期性结构的面积生长的越大，周期性结构外围的结构会变的越松散，这表明越靠近光斑外围，小球所受到的切向梯度力越小，梯度已经无法抑制小球的布朗运动，因而外围小球无法形成紧密的有序结构。此时，虽然激光的作用还在持续，但是二维周期性结构的面积无法进一步增加。

(a)激光未打开；(b)激光作用时间t=10 s；(c)t=20 s；(d)t=40 s；(e)t=80 s；(f)t=2 min

在实验过程中，除了可以利用显微镜上的CCD来观察聚苯乙烯小球的组装过程，聚苯乙烯小球对入射激光的散射模式也可以用来表征生成二维周期性结构的有序度。激光通过二维有序结构衍射后在物镜后方的接收屏上可以接收到清晰的衍射图案，如图4所示。通过图4可以清晰的分辨出二维有序结构对入射激光的三级衍射光斑。该实验结果表明，利用这种方法制备的二维有序结构具有非常好的有序性。

图4 聚苯乙烯小球二维有序结构对入射激光的衍射图样

3 总结

利用单光束聚焦激光，系统的研究了聚苯乙烯小球在光力作用下的组装过程，在低功率下(15 mW)制备了大面积二维有序的周期性结构。该实验结果对利用单光束实现多粒子光操纵及自组装具有重要的参考价值及指导意义。

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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

邓海东(1976-)，男，博士，讲师，研究方向：纳米光子学。

广东省自然科学基金(NO:S2012040007719)。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.04.016

O439

A

1001-3679(2014)04-0495-04