一种含ITO薄膜超透镜的高透过率光扳手

本发明涉及一种含ito薄膜超透镜的高透过率光扳手，其主要特点是粒子捕获效果优良，可以实现对微纳粒子的三维操纵，属于光镊。

背景技术：

1、光镊技术因其独特的非侵入性操纵能力，为科学研究提供了新的实验方法，其中，微纳颗粒的非接触捕获和操控在分子生物学、生物化学、纳米制造等领域都有重要作用。随着集成光学的快速发展，基于集成光器件的光学捕获结构被广泛研究。

2、超透镜是由离散的超表面单元所组成的透射式光学聚焦元件，每一个超表面单元通过电磁谐振等方式对入射光进行透射相位调制，随着超表面技术的快速发展，超透镜凭借着高集成性和超高数值孔径等优势，逐步应用于光镊领域，并对纳米级粒子进行捕获和操纵(文献1：kuo,h.y.；vyas,s.；chu,c.h.；chen,m.k.；shi,x.；misawa,h.；lu,y.-j.；luo,y.；tsai,d.p.cubic-phase metasurface for three-dimensional opticalmanipulation.nanomaterials 2021,11,1730.)。目前，超透镜有两种常规的设计方法，一种是传输相位设计方法，通过微纳米单元结构的形状、尺寸和结构单元周期等进行调节，通常由各向同性的微纳米结构构成，具有高度对称的特点。(文献2：kuo-feng lin,chin-chuan hsieh,shui-chuan hsin,and wen-feng hsieh,"achieving high numericalaperture near-infrared imaging based on an ultrathin cylinder dielectricmetalens,"appl.opt.58,8914-8919(2019))，一种是几何相位设计方法，调整具有相同尺寸微纳结构的旋转角度，实现2pi相位覆盖。(文献3：kanwal,s.；wen,j.；yu,b.；kumar,d.；chen,x.；kang,y.；bai,c.；zhang,d.high-efficiency,broadband,near diffraction-limited,dielectric metalens in ultraviolet spectrum.nanomaterials 2020,10,490.)。其中几何相位设计方法具有设计和加工难度低的特点。然而目前超透镜结构存在透过率难以提升，聚焦效率不够高的问题(文献4：yan wang,miao peng,wei cheng,etal.manipulation force analysis of nanoparticles with ultra-high numericalaperture metalens.opt.express 30,28479-28491(2022))。

3、ito(indium tin oxide)是一种透明导电材料，由铟、锡和氧元素组成。它具有高透明度和导电性能，该材料具有低电阻、光透过率高、化学稳定性好等优点。(文献5：ni,j.h.,sarney,w.l.,leff,a.c.et al.property variation in wavelength-thickepsilon-near-zero ito metafilm for near ir photonic devices.sci rep10,713(2020).)，能够用于与超透镜结构结合进而改善超透镜结构的光透过率特性。

4、因此，为了同时实现高透过率和深光阱捕获，我们将使用ito材料薄膜与基于几何相位的超透镜结构结合，通过入射涡旋光实现环型电场局域，环形光场分布场不仅可以提光束对微粒的俘获效率，而且所携带的轨道角动量可以传递给吸收性的微粒，驱动微粒旋转，透过率高达0.95，能够实现大于90％的聚焦效率，对半径为250nm的聚苯乙烯粒子进行捕获，最大光力可达116.9pn，环内的势阱深度最高为290kb t，切向光势阱最高可达788kbt能够实现对粒子的稳定捕获。

技术实现思路

1、本发明将ito薄膜嵌入基于几何相位(pancharatnam-berry相位)的超透镜结构，进而实现透射率的增强，提升超透镜的性能，并实现粒子的稳定捕获及驱动粒子旋转。

2、1.本发明的具体内容

3、(1)本发明提出的光学扳手结构如图1所示，表面为一层矩形纳米硅柱阵列，均匀填充整个圆形区域。每个单元晶胞周期相同，纳米柱大小相同，仅通过不同的水平方向旋转角确定不同晶胞所处的位置。调节ito薄膜厚度和矩形纳米硅柱的几何参数获得高透过率和高偏振转换效率。使用几何相位调控表面相位分布，确定拓扑电荷m＝3，焦距f＝5μm，结构半径r＝6.5μm，根据以上内容完成表面的搭建。输入一束右旋圆偏振光，可以在焦平面附近观察到左旋的涡旋电场。

4、(2)将半径r＝250nm的聚苯乙烯(ps)粒子置入焦平面上，通过计算其在沿径向上某些特定位置处的三维光学力以及转矩，可以得到粒子在输出场中的运动趋势和运动方式。计算粒子在环内的切向和内侧的势阱深度，确定粒子沿环旋转的稳定程度，证明本发明提出的微纳光学扳手在粒子操纵方面达到高性能要求。

5、2.本发明的优点如下：

6、(1)本发明使用嵌入ito层的几何相位超透镜来提高光透过率，透过率高达0.95，并且具有大于90％的偏振转换效率，能够减少能量损耗。

7、(2)本发明与其他结构的超透镜相比能够实现更稳定的粒子捕获，可以获得光力提升。

8、(3)本发明使用拓扑荷为3的涡旋光束入射，能够实现的最大转矩为3.5×10-7μm2/s，环内的势阱深度最高为290kbt，切向光势阱最高可达788kbt，能够稳定驱动粒子旋转。

9、3.本发明的原理如下：

10、(1)几何相位通过调整具有相同尺寸结构的面内旋转角来实现相位调控，该调控机理仅适用于圆偏振入射光。采用几何相位法设计的单元晶胞通常为长宽不同的矩形纳米柱，并赋予不同的旋转角度，因此输出圆偏振光与入射圆偏振光的手性相反，且相位响应受到入射光的偏振调控。几何相位在数值上与晶胞在水平方向上的旋转角度有着二倍关系，因此可以调整单元结构的旋转角度实现2π相位覆盖。

11、(2)为实现聚焦透镜功能，当超透镜的表面相位覆盖0-2π区间，根据焦距且满足一定的位置关系时，能够实现焦平面聚焦。

12、(3)粒子在输出场中既受到径向和方位角方向上的光学力，使其被限制在涡旋环中，又因为获得了轨道角动量，在切向的转矩作用下沿环旋转，可以在超透镜焦平面形成环型聚焦场，在垂直方向上，光散射利可以克服粒子重力。因此本结构可以用作光学扳手远距离驱动粒子稳定旋转。

技术特征：

1.提出一种基于几何相位超透镜支持的高透过率微纳光学扳手，特征在于：超透镜表面是按一定规律排布的矩形硅(si)纳米柱阵列，每个纳米柱具有特定的水平旋转角。衬底为二氧化硅(sio2)，衬底与纳米柱之间覆盖一层氧化铟锡(ito)薄膜，ito薄膜、sio2衬底的厚度分别为20nm和1000nm，超透镜半径为6500nm。

2.根据权利要求1中所述，超透镜表面由方形纳米硅柱单元晶胞排列组成，其特征是：方形晶胞的周期为325nm，方形纳米硅柱的长和宽分别为220nm、120nm，柱高410nm，所有纳米柱的水平旋转角覆盖0-π区间。

3.根据权利要求1，2所述，受水平旋转角决定的几何相位调控，由sio2基底、ito薄膜和si矩形柱组成的超透镜结构，实现了一种高透过率的微纳光学扳手。其特征是：从结构下方输入的右旋圆偏振光位于中心波长为810nm的近红外区，先后穿过ito薄膜和si柱后，透过率高达0.95，并且具有大于90％的偏振转换效率，即输出光功率的90％以上被转化为左旋圆偏振态，工作带宽接近40nm。该超透镜结构在与上表面垂直距离为5200nm处的焦平面上生成了圈闭的涡旋电场，涡旋环中心半径为984nm，环宽度约为350nm。超透镜的数值孔径为0.78，聚焦效率可以达到71％。

4.根据权利要求1，2，3所述内容，该微纳光学扳手的特征在于：高透过率和稳定的捕获势阱。本发明使用嵌入ito层的几何相位超透镜来提高光透过率，能够减少能量损耗。对于半径为250nm的聚苯乙烯(ps)粒子，光扳手在径向和方位角方向最大产生了83.0pn和116.9pn的光学力，最大转矩为3.5×10-7μm2/s，切向的势阱深度为788kb t，环内的势阱深度最高为290kb t，确保粒子能进行稳定的沿环旋转。

技术总结本发明涉及一种含ITO薄膜超透镜的高透过率光扳手，属于光镊技术领域。本发明将ITO薄膜引入几何相位调控的超透镜结构中，改善了其在近红外波段的透射特性。超透镜表面由具有不同旋转角度的矩形纳米硅柱构成，通过产生涡旋的输出场，半径250nm的聚苯乙烯粒子在场中获得3.5×10‑7μm<supgt;2</supgt;/s的最大转矩和290k<subgt;B</subgt; T的环内势阱深度，因此粒子可以被限制在涡旋环中并沿环旋转。此外，该光学扳手的透过率高达0.95，与其它类型的微纳光学操纵装置相比，本发明可以在较低的输入光功率下获得高稳定性的俘获陷阱，并远距离的驱动粒子沿固定轨道稳定旋转，可作为微型转子应用于片上实验室的相关研究。技术研发人员：田慧平,翟洁茹,杨亦琛受保护的技术使用者：北京邮电大学技术研发日：技术公布日：2024/5/12