长三角G60激光联盟导读

据悉,本文展示并表征了金微孔板在其表面与超细纤维接触时的平面内旋转。

摘要

光子携带的动量传递到微观物体中已被广泛用于驱动微观物体。然而,由于摩擦力和光力之间的尺度间隙,该方案在非液体环境中存在缺陷。为了克服这个问题,研究人员最近提出利用光吸收引起的弹性波。基于这一认识,本文展示并表征了金微孔板在其表面与超细纤维接触时的平面内旋转。平面内旋转由导入超细纤维的激光脉冲驱动,其速度随激光功率增加而增加。实验结果和理论结果的结合为非液体环境中微观物体光致驱动的研究提供了新的见解,这是一个在全面理解和实际应用方面都远未成熟的新兴领域。

1介绍

由于其精确、时和微型化的独特优势,微纳米物体的光学操纵已被证明是许多应用中不可或缺的工具,如生物操纵和检测,微流量控制和粒子输送。这项技术基于一个简单的原理:光波携带动量,可以在散射和吸收过程中传递给物体,从而使其运动。线动量的传递会产生用于光学捕获的光学力的推拉,而角动量的传递会产生导致物体旋转的机械扭矩。然而,光学力很小。

为了在非液体环境中打破屏障并驱动微观物体,最近的一些研究建议使用光诱导弹性波。与光波类似,弹性波也携带动量并传递力。有利的是,弹性波的速度相当小。因此,在散射功率相同的情况下,弹性波产生的力很容易比光波产生的力大六个数量级。此外,温度变化可以通过光吸收激发弹性波。这些吸引人的特性使弹性波成为在非液体环境中实现微物体光致驱动的一个很有希望的候选者。

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已报道的片上偏振器。SWG辅助TM通偏振器;b SWG辅助TE通偏振器;c基于尖锐SWG辅助波导弯曲的偏振器;d基于HPWG辅助光栅的偏振器;e基于HPWG辅助ADC的偏振器;f基于混合等离激元光栅的f A TM通偏振器

弹性波是固体中的晶格振动。因此,它们只会产生内力。这一特性与提供外力的光波有着显著的不同。实际上,在基于弹性波的驱动方案中,是通过弹性波(内力)与其诱导的外力(例如摩擦力)之间的相互作用来驱动微小物体的。值得注意的是,这种运动与人类行走非常相似。

在这一新方向的开创性研究中,研究人员将可吸收的微型物体(如金盘)放置在超细纤维上。通过将激光脉冲传输到微纤维中,微物体吸收光,光被转换成热量,然后激发弹性波来驱动微物体。观察到微小物体在超细纤维的曲面上平移。这些运动可以沿超细纤维的轴向或方位或两个方向(即螺旋运动)。此外,研究人员发现,通过调整微物体和微纤维之间的相对位置和接触配置,可以控制特定的运动方向。然而,在所有这些现有观测中,尚未证明微小物体绕其厚度方向上的固定轴运动旋转的一个重要自由度,以下称为面内旋转,仍有待研究。

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a基于SWG辅助的直DC的PBS;b 基于各向异性超材料的PBS

在这篇文章中,我们通过实验证明了微纤维上金片的光诱导平面内旋转来填补这一空白。我们揭示了与光吸收引起的热激发弹性波相关的平面内旋转的潜在机制,并强调了光吸收梯度分布与被超细纤维分割的金板两翼不对称性之间的相互作用。这种新的机制以前没有报道过。结果表明,光吸收的空间分布可以作为一种新的自由度来控制非液体环境中的微尺度驱动。此外,光力学领域也对利用电磁波通过热效应控制弹性波的认识感兴趣。

2平面内旋转观测

图1A为实验装置示意图。它由三部分组成:超细纤维、镀金板和超连续谱脉冲光。直径约为几微米的超细纤维是由标准多模光纤制成的锥形纤维。通过电子束光刻制备金版。与广泛用于合成具有预定义形状的薄金板的化学方法相比,EBL方法在制造具有用户设计形状的纳米结构方面具有优势。

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图1 硅微纤维上金片的光诱导平面内旋转。

我们在这里添加了一种新的运动模式:黄金板块围绕其厚度方向的固定轴旋转,即所谓的平面内旋转。图1B绘制了边长为30μm、厚度为60 nm的旋转金方板的连续光学图像。激光源的脉冲重复率和平均功率分别为230 Hz和0.23 mW。当特定数量的激光脉冲被传送到超细纤维中时,可以观察到板和超细纤维之间相对位置的顺序变化。具体而言,板围绕板和超细纤维之间接触线的上端点(用蓝点标记)逆时针旋转,其像素坐标在记录的光学图像中几乎保持不变。此过程将继续,直到接触线的较低点接近方形板的右下顶点。最后,尽管激光脉冲连续传输,板仍会停止旋转。

如图2B的上面板所示,上边缘比率aup/ℓ 将恒定值保持在0.5左右,表明在旋转过程中接触线的上点未旋转,而低边缘比较低/ℓ 逐渐从0.7增加到约0.85的稳定值。根据边缘比,我们推断出大约5度的旋转角(参见图2B的下面板),这表明每个激光脉冲的平均旋转角仅为10−3度左右。请注意,测量的边缘比率和旋转角度取决于样本。

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图2 平面内旋转的特征。

驱动需要使用脉冲激光源。激光脉冲可以在金片中诱导脉冲光吸收,从而激发脉冲弹性波,使金片克服摩擦力运动。然而,激光脉冲的特定中心波长和带宽不太重要。事实上,我们还使用1064 nm的窄带纳秒脉冲激光进行了实验,获得了与使用宽带超连续谱激光类似的观察结果。

平面内旋转的基本运动步骤由单个激光脉冲驱动。例如,使用图2B中绘制的旋转角度,我们估计接触线的下端在单个脉冲中滑动约1 nm。该步进运动距离(以纳米级为单位)与先前的结果一致。此外,通过增加入射激光脉冲的功率,平面内旋转速度也会增加。

3平面内旋转规律

为了推断平面内旋转的规律性模式,我们进行了一组实验,涉及不同基底形状的金板。如图3所示,在43个显示平面内旋转的测试中,大多数测试结果显示了如图1所示的平面内旋转(≈ 84%)。发现金属板围绕接触线的两个端点之一旋转(在图3的右侧面板中用蓝色圆点标记),其特定位置与激光入射方向无关。此外,伴随着主要的平面内旋转,这一类别的金片也显示出沿微纤维方位方向的微小移动。

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图3涉及43项测试的平面内旋转模式统计摘要。蓝色圆点表示旋转中心。平面内旋转(左面板)根据旋转方向和板的形状分为六个子类。通过将特定运动类别的数量除以总测试的数量来获得标记的百分比。

其他少数试验(≈16%)呈现出更为复杂的混合运动模式,即金板除了在平面内旋转外,还围绕超细纤维进行螺旋运动。螺旋运动意味着微孔板沿方位围绕超细纤维旋转,同时平行于超细纤维轴平移(见图4中的示意图)。螺旋运动的潜在机制与热激发弹性波有关。图4绘制了记录这种混合运动的连续光学图像。随着平面内旋转,平板相对于微纤维的位置不断改变。经过2k激光脉冲的传输,最终达到一个稳定的位置,其中一个板顶点接近微光纤。然后,平面内旋转终止,而稳定的螺旋运动保持不变。

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图4二氧化硅超细纤维上金片的混合面内旋转和螺旋运动。(左)观察到的运动的草图。金盘在微纤维的方位和轴向上移动,导致螺旋运动。同时,由于平面内旋转,金盘改变了其相对于超细纤维的相对位置。(右)记录这种混合运动的连续光学图像。

尽管个别案例之间存在具体差异,但所有这些测试都显示出相同的特征。平面内旋转始终朝着减小金盘两翼之间面积差的方向,即使两翼更加对称。这一观察结果表明,板翅的对称性破缺与面内旋转直接相关,这应通过下面的数值研究进行检验。

4理论分析

鉴于上述已证实的面内旋转观察,我们将在下文中研究其潜在机制。特别是,我们打算传达两个以前没有报道过的关键信息。首先,是黄金板中的光吸收激发的弹性波驱动了平面内旋转。其次,板中光吸收沿板与超细纤维接触线的梯度分布以及板两翼的尺寸不对称是实现面内旋转的两个重要因素。

在这种基于微纤维的驱动系统中,可以利用黄金板中光吸收引起的弹性波来克服μN级摩擦力,并使金属板能够移动。具体而言,通过在被微纤维分割的板的两个翼中引入不对称性,弹性波驱动板围绕微纤维向短翼侧方位移动。此外,如果板呈强弯曲,它可以沿超细纤维的轴向向接触侧移动。方位和轴向运动的组合导致螺旋运动,如图4所示。基于这一认识,可以合理地设想,观测到的面内旋转的物理机制也与激光诱导的弹性波有关,从而为我们的进一步探索奠定了明确的方向。

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带340 nm厚SOI波导的PBS。

简而言之,所涉及的物理是一个三步光热弹性过程。首先,当入射激光脉冲在超细纤维中传播时,其电场会泄漏出来并被极板吸收。第二,吸收的光功率转化为热量,从而导致板的温度升高。最后,温度升高会引起相干晶格振荡,即弹性波,它在板中来回反弹并与摩擦力相互作用,导致板的运动。

4.1光热处理

弹性波的产生取决于系统的光热转换效率(见图6A-i、ii)。为了检验这一过程,我们对放置在微纤维上的方形金板进行了数值研究,其几何参数与图1中的相同。板和超细纤维之间的相对位置设置为平面旋转前的初始位置。将超细纤维的两种基本模式HE11Vertical和HE11Horizontal视为入射波。HE11Vertical和HE11Horizontal模式的强度分布接近高斯光束,因此它们比其他高阶模式更有效地被激光束耦合。图5A绘制了模拟吸收光谱。结果表明,HE11Vertical模式的吸收效率明显高于HE11Horizontal模式。值得注意的是,前者在700 nm波长处表现出接近60%的峰值吸收率。

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图5 镀金板和微纤维耦合系统的光热模拟。

图5B绘制了HE11Vertical模式在吸收峰700 nm处入射时吸收光功率的强度分布图。结果表明,吸收的光功率强烈地局部化在板和超细纤维之间的接触线周围的线状亚波长区域(用白色虚线标记),并且极不均匀。在HE11Vertical模式的相同入射下移动到其他波长,吸收光功率的强度分布会相应变化。然而,它们在强局部化和非均匀性方面表现出相同的一般特征。

图5C绘制了吸收光功率中心的温度变化曲线。在入射激光脉冲期间,温度迅速上升,然后经历相当缓慢的冷却。此外,我们观察到,温度分布非常类似于吸收光功率的类似不均匀性,尤其是在热扩散/冷却充分进行之前的较早时间。

4.2热弹性过程

4.2.1弹性波图

极板温度升高并激发接触线周围的弹性波,吸收的光功率在此处局部化。根据弹性波向板的长翼(LW)和短翼(SW)两侧的初始传播方向,弹性波分别分为LW波和SW波(见图6A iii)。LW和SW波分别在朝向LW和SW侧的方向上携带弹性位移。因此,当LW和SW波通过接触线时,它们会持续驱动板沿相反方向滑动(即分别朝向LW和SW侧)。这个过程一直持续到弹性波最终衰减为止。

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图6 提出了硅微纤维上金片光诱导平面内旋转的机理。

上面的弹性波图片指出了板块两翼不对称的重要性,这导致了LW波和SW波之间的竞争,并相应地驱动板块沿方位向SW侧移动。这很好地解释了我们的观察结果,即在平面内旋转期间,平均运动方向始终指向西南侧,并且两翼之间的面积差逐渐减小,如图1和图4所示。

我们认为,吸收光功率沿接触线的梯度(非均匀)分布是导致观察到的面内旋转非均匀位移的另一个因素。沿接触线的运动位移梯度分布表明,激发弹性波的振幅遵循类似的分布。此外,如前所述,由于板中的光吸收导致温度升高,因此激发弹性波。直观地说,吸收越高,激发弹性波的振幅越大。根据这些直觉,可以很自然地推断,沿接触线吸收光功率的梯度(非均匀)分布可能会导致平面内旋转的梯度位移。

鉴于上述原因,我们总结了我们对平面内旋转的解释:平板两翼的不对称性和吸收光功率沿接触线的梯度分布是平面内旋转所需的两个因素。更准确地说,第一个因素导致板块向西南侧的净运动,即减少两翼之间的面积差,而第二个因素则导致梯度分布(不均匀)运动位移。

4.2.2数值验证

图6B显示了由单个激光脉冲驱动的板的弹性位移的模拟结果,同时考虑了两翼的不对称性和沿接触线吸收光功率的梯度分布。图6B的左面板对比了接触线上两个端点在微纤维方位方向上弹性位移的时间演变。

图6B、C之间的直接对比验证了沿接触线吸收光功率的梯度分布导致平面内旋转的梯度弹性位移。此外,这些结果还表明,由于板翅的不对称性,平均运动方向(在两种情况下)都朝向西南侧。因此,我们在数值上证实,当两个基本因素(即板的两翼不对称性和吸收光功率的梯度分布)同时存在时,可以实现面内旋转。

5备注

5.1旋转中心和吸收光功率剖面

理论分析表明,旋转中心位于接触线上光吸收最小的位置。在实验上,我们观察到旋转中心位于接触线的两个端点之一,并且与激光入射方向无关(见图3)。我们认为,这种现象是由于微孔板的表面曲率造成的。在将板转移到超细纤维上的过程中,板很容易弯曲。考虑到板的曲面,由于与超细纤维的距离较近,吸收的光功率主要堆积在接触线的平坦侧,而弯曲侧吸收较少。因此,吸收最小点对应于接触线上距离超细纤维最大的位置。发现其位于板边缘周围。

为了巩固上述论点,有助于测量吸收光功率的空间分布。原则上,这可以通过使用扫描近场光学显微镜(SNOM)实现。我们期望,在未来,可以进行此类近场测量,以进一步加强我们对平面内旋转的理解。

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a一种基于ADC和TM型HPWG辅助的超小型化PBS ;b基于MMI和TM型HPWG的极小PBS ;c基于ADC的超紧凑型PBS,配合TE型HPWG。

5.2平面内旋转和螺旋运动

众所周知,平面内旋转必然要求微孔板的翼不对称性和吸收光功率的梯度(非均匀)分布。另一方面,螺旋运动是由机翼不对称性(用于方位平移)和板的表面曲率(用于轴向平移)实现的。然而,决定面内旋转或螺旋运动具体发生的基本条件仍不清楚。具体来说,随着接触线的长度由于微孔板表面曲率的增加而减小,平面内旋转可以逐渐转变为螺旋运动。在平面内旋转和螺旋运动之间,对它们的混合运动进行了数值观察,这定性地解释了图4中的实验观察结果。

6结论

在这篇文章中,我们演示了脉冲光在微纤维上诱导金板的平面内旋转。平面内旋转由热激发弹性波驱动。我们发现,1)平板两翼的不对称性和2)吸收光功率沿接触线的梯度分布是导致平面内旋转的两个基本因素。

我们强调,在固体界面上工作的光致微致动器的技术水平仍处于基础研究水平。现有文献中的研究主要集中于阐明驱动方案和揭示潜在的物理机制。在这方面,将实验演示与平面内旋转的理论解释相结合,为证明弹性波在非液体环境中驱动微小物体的潜力提供了一个新的案例。

在目前的系统中,随着板的两翼变得对称,平面内旋转逐渐减弱。这可防止板材连续旋转。然而,通过使用多种超细纤维并将其像车轮辐条一样排列,我们提出了一种实现连续旋转的可能设计。在这种设计中,通过将激光脉冲传输到多个微纤维中适当的微纤维中,始终可以确保板材两翼的不对称性。

设想,该文的发现可以在几个方面激发新的应用。首先,检测面内旋转可以提供一种方便的方法来推断吸收光功率的分布。其次,通过设计吸收光功率的空间剖面,原则上可以控制平面内运动的特定轨迹。通过精确控制波导上的镀金板的位置,可以进一步用于调制集成光学电路,从而影响附近波导之间的耦合。

来源:Light-Induced In-Plane Rotation of Microobjects on Microfibers, Laser Photonics Reviews, doi.org/10.1002/lpor.202100561

参考文献:B. P. Nadappuram, P. Cadinu, A. Barik, A. J. Ainscough, M. J. Devine, M. Kang, J. Gonzalez-Garcia, J. T. Kittler, K. R. Willison, R. Vilar, P. Actis, B. Wojciak-Stothard, S. H. Oh, A. P. Ivanov, J. B. Edel, Nat. Nanotechnol. 2019, 14, 80.