一种可以利用光学牵引力实现光学自组装的方法

本发明涉及利用光学力对微观粒子进行操控领域，具体涉及一种可以利用光学牵引力实现光学自组装的方法。

背景技术：

1、光学自组装是指纳米或微米级的小颗粒耦合在一起的现象，它是由散射和背景电磁场与颗粒之间的相互作用引起的。散射光与背景入射光干涉，重新分配颗粒周围的电磁场，进而改变光力，将颗粒耦合在一起。由于具有高分辨率、非接触性、无需模板等优点，在诸如光学俘获和粒子操纵、纳米结构自组装以及具有定制光学特性的新材料设计等领域具有潜在的应用。

2、目前已报道的光学自组装配置要么处于静态平衡状态，要么处于推力驱动的动态平衡状态。利用光学牵引力实现光学自组装的报道还从未有过，这项工作为粒子的自组织提供了额外的自由度。

3、光牵引力是一种违反直觉物理学的有趣现象，当粒子被紧密聚焦的光束照射时，梯度力可以克服散射力，导致物体的捕获。如果光束未聚焦，梯度力消失，自由空间中的粒子在各个方向上受到散射力。通常，后向散射大于前向散射，导致光推力。然而，通过操纵，可以实现前向散射大于后向散射的情况，导致物体受到指向光源方向的力，称为光牵引力。

4、本专利设计了一个具有平衡和非平衡增益和损耗的三层(gal)光学系统，其中g表示具有增益的材料，a表示空气，l表示具有损耗的材料。多层系统的电磁场通过使用传输矩阵方法计算。我们使用麦克斯韦应力张量的表面积分计算了作用在均匀板上的时间平均光力。利用动态模拟，确定了多层在受到不同入射方向的平面波照射时的平衡状态。通过使用线性稳定性分析，研究了牵引力和推力实现的光学自组装的稳定性。

5、现有专利cn113184803a(申请号：cn202110438556.9)的专利公开了一种基于磁场驱动磁性纳米粒子自组装的系统及加工方法。所述自组装系统包括硅衬底和凹槽等结构，上侧设置有用于流通磁性纳米粒子悬浮液的微流体通道，下侧分别设置有偏置磁场。本发明借助于特殊设计的凹槽结构的几何约束作用，以及纳米软磁体的高局域强磁偶极子吸引力作用，促使磁性纳米粒子在外加偏置磁场的作用下，自组装形成稳定的组装结构。该专利提出了基于磁场驱动磁性纳米粒子自组装的方法，而对于非磁性材料，无法实现结构的自组装。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对现有的光学自组装研究中，尚且没有利用光学牵引力实现的空白，而提供了一种可以利用光学牵引力实现光学自组装的方法。本发明的方法可以使多块平衡增益与损耗介质板组成的系统在入射光的照射下，通过光学牵引力实现光学自组装。

2、本发明提供了一种利用光学牵引力实现光学自组装的方法，其包括下述步骤：

3、s1、调整透镜，将点光源放置于透镜焦点处，使发射的光变为平行光；

4、s2、调整滤波器，保留单一频率的光；

5、s3、调整偏振片，将经过滤波器的光转成线偏振光；

6、s4、将光入射到悬浮着平行介质板的容器中；

7、s5、介质板在光力的作用下，位置发生移动；

8、s6、经过一段时间后，介质板之间的相对位置不再发生变化；

9、s7、计算力矩阵的本征值，分析系统的稳定性。

10、本发明中，采取的入射光的波长为800nm。

11、本发明中，采用的微观粒子为由增益材料与损耗材料组成的介质板，其中介质板的增益与损耗相等。

12、本发明中，当入射光从介质板的损耗一侧照射时，介质板在光学牵引力的作用下实现光学自组装。

13、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

14、光学结合在粒子的自组装方面具有巨大的潜力，已有的光学结合配置要么处于静态平衡状态，要么处于推力驱动的动态平衡状态。在这项研究中，我们引入了一个由平衡增益和损耗组成的一维pt对称多层光学系统，使得结构上产生总拉力。通过进行动力学模拟，我们实现了表现出拉力的自组装结构。此外，通过反转入射光的方向，我们实现了推力诱导的结合。还使用线性稳定性分析对结合结构的稳定性进行了分析。此外，在不平衡增益和损耗的一维多层系统中实现了拉力和推力诱导的光学结合。这项工作为粒子的自组装提供了额外的自由度。

技术特征：

1.一种利用光学牵引力实现光学自组装的方法，其特征在于，其包括下述步骤：

2.如权利要求1所述的利用光学牵引力实现光学自组装的方法，其特征在于，入射光的波长为800nm。

3.如权利要求1所述的利用光学牵引力实现光学自组装的方法，其特征在于，介质板由增益材料和损耗材料交替排列在容器中，其中介质板的增益和损耗相等。

4.如权利要求1所述的利用光学牵引力实现光学自组装的方法，其特征在于，当光源从平衡增益和损耗介质板的损耗一侧入射时，介质板受到光学牵引力实现光学自组装。

5.如权利要求1所述的利用光学牵引力实现光学自组装的方法，其特征在于，随着介质板的数量增加，由多块介质板组成的系统将不再稳定，无法使每块板之间都保持相对静止的状态。

技术总结本发明公开了一种可以利用光学牵引力实现光学自组装的方法。该方法包括以下步骤：S1、调整透镜位置，将点光源放置于透镜焦点处，使发射的光变为平行光；S2、调整滤波器，保留单一频率的光；S3、调整偏振片，将经过滤波器的光转成线偏振光；S4、将光入射到悬浮着平行介质板的容器中；S5、介质板在光力的作用下，位置发生移动；S6、经过一段时间后，介质板之间的相对位置不再发生变化；S7、计算力矩阵的本征值，分析系统的稳定性。本发明可以实现在特定波长的入射光照射下，由增益和损耗相同的介质板组成的一维PT对称多层光学系统，使结构产生总牵引力。其中，系统中的每块介质板受到的力大小相等、方向相同，即利用光学牵引力实现光学自组装。技术研发人员：刘松,崔立勇受保护的技术使用者：长沙理工大学技术研发日：技术公布日：2024/2/21