呂俊鵬,高 磊,劉 琳,章 琦,劉宏微

(1.東南大學(xué) 物理學(xué)院,江蘇 南京 211189;2.南京師范大學(xué) 物理與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210023)

隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展,聚焦激光束在工業(yè)、軍事、生活中的應(yīng)用越來越廣泛. 聚焦激光束具有高空間分辨率、強(qiáng)能量密度等特點(diǎn),已成為微納科研領(lǐng)域中的重要技術(shù)手段. 本文簡述了聚焦激光束的原理,列舉了聚焦激光束的科研應(yīng)用,設(shè)計(jì)了基于前沿聚焦激光技術(shù)轉(zhuǎn)化的教學(xué)實(shí)驗(yàn),著重強(qiáng)化學(xué)生的光學(xué)理論與技術(shù)基礎(chǔ),培養(yǎng)學(xué)生的激光應(yīng)用技能,掌握基礎(chǔ)微納加工/光刻原型設(shè)備的搭建技能,拓展聚焦激光技術(shù)的應(yīng)用.

1 聚焦激光束的原理

激光,即受激輻射光放大,其工作原理為:原子中的電子吸收能量從低能級(jí)躍遷到高能級(jí),激發(fā)態(tài)電子經(jīng)外場(chǎng)光子誘導(dǎo),從高能級(jí)再躍遷回低能級(jí),產(chǎn)生與誘導(dǎo)光子能量、偏振、運(yùn)動(dòng)方向等特征高度一致的輻射光子形成受激輻射,并在精確設(shè)計(jì)的光學(xué)諧振腔中產(chǎn)生光子增益,最終形成穩(wěn)定的光子輸出模式,例如TEM00模. 根據(jù)光子發(fā)射的時(shí)域分布,激光通常分為連續(xù)波激光和脈沖激光,通過鎖模技術(shù),脈沖激光的脈寬可以達(dá)到fs量級(jí). 在具體實(shí)踐應(yīng)用中,為了提高激光的空間分辨率與能量密度,通常需要使用光學(xué)透鏡組對(duì)激光進(jìn)行聚焦,以形成聚焦激光束. 聚焦激光束的聚焦尺寸(d)正比于激光波長(λ),反比于透鏡組的數(shù)值孔徑(RN.A.),受限于光學(xué)衍射極限,一般用d～1.22λ/RN.A.估算聚焦尺寸.

2 聚焦激光束的科研應(yīng)用舉例

2.1 光鑷

現(xiàn)代物理學(xué)已經(jīng)證明光子具有動(dòng)量,因此當(dāng)高度聚焦的激光光束作用于粒子時(shí),光子通過散射過程的動(dòng)量交換與粒子相互作用,從而產(chǎn)生光輻射力.光輻射力可分為梯度力和散射力,梯度力的方向始終為電場(chǎng)強(qiáng)度梯度的方向,而散射力的方向則為光束傳輸?shù)姆较?梯度力和散射力共同作用于粒子,最終兩者的合力決定粒子在光場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況.為了實(shí)現(xiàn)在三維尺度上穩(wěn)定地捕獲和操縱粒子,梯度力的軸向分量需克服散射力,因此用作光源的聚焦激光光束在軸向上須具備足夠大的梯度光強(qiáng)分布.通常使用高數(shù)值孔徑的物鏡聚焦激光光束,平衡軸向上的梯度力與散射力,形成三維光學(xué)勢(shì)阱,從而把粒子穩(wěn)定地捕獲在光束的焦點(diǎn)附近,并且捕獲的粒子可隨光束焦點(diǎn)的移動(dòng)而移動(dòng).

1986年,Ashkin等人使用經(jīng)過強(qiáng)聚焦的單束激光作為捕獲粒子的光源,將生物細(xì)胞穩(wěn)定地捕獲于三維光學(xué)矢阱內(nèi)[1]. 由于單光束操控微納粒子的過程與用鑷子夾住物體的過程類似,所以利用光束捕獲和操縱粒子的技術(shù)也稱為光鑷技術(shù). 由于該技術(shù)中光輻射力微弱(pN量級(jí)),因而光鑷能夠?qū)崿F(xiàn)無接觸以及無機(jī)械性損傷地捕獲和操控μm量級(jí)的粒子. 這一優(yōu)點(diǎn)使得光鑷技術(shù)成為物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等研究的重要工具[2-3],Ashkin也因此獲得2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

典型的光鑷裝置如圖1所示,通常包含激光光源、光學(xué)顯微鏡、光鑷移動(dòng)控制模塊、位移檢測(cè)傳感模塊、CCD相機(jī)與電腦. 圖1所示裝置使用紅外/氦氖激光光源并配合使用高數(shù)值孔徑物鏡將激光束聚焦到光學(xué)衍射極限來實(shí)現(xiàn)光鑷[4]. 通過操控物鏡,可以在獲得聚焦捕獲光的同時(shí)對(duì)被捕獲的物體進(jìn)行成像. 目標(biāo)物體通常置于小型微流體腔中,并將其固定在電動(dòng)或壓電驅(qū)動(dòng)的平移臺(tái)上以實(shí)現(xiàn)三維方向上可控的μm精度運(yùn)動(dòng)[5]. 通常情況下,光鑷只需要很小的光功率(低至幾mW)即可對(duì)μm甚至nm尺度的目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行捕獲. 捕獲的實(shí)現(xiàn)主要依賴于聚焦激光束產(chǎn)生的光子力. 以微納顆粒為例,其光學(xué)響應(yīng)通常用偶極子模型描述,其與光場(chǎng)相互作用的強(qiáng)度由偶極極化率決定.對(duì)于半徑為r和相對(duì)介電常量為ε的球體,其偶極極化率為[6]

圖1 光鑷裝置示意圖

(1)

(2)

其中,Ej為電場(chǎng)分量.式(2)也可表示為

(3)

其中,E為電場(chǎng)強(qiáng)度,H為磁場(chǎng)強(qiáng)度,σ為消光截面,c為真空中的光速,ω為光場(chǎng)的角頻率.式(3)中的第1項(xiàng)表示由電場(chǎng)強(qiáng)度的梯度引起的力,主導(dǎo)光鑷中的三維約束;第2項(xiàng)為輻射壓力對(duì)應(yīng)于傳播方向上的力;第3項(xiàng)是由空間極化梯度的存在產(chǎn)生的力,如圖2所示. Bustamante等人已證明,該光學(xué)作用力在pN量級(jí)[7]. 對(duì)于待操控的目標(biāo)對(duì)象來說,激光束會(huì)聚形成的強(qiáng)聚焦光斑會(huì)形成三維光學(xué)勢(shì)阱,微粒將被束縛在其中. 一旦微粒偏離勢(shì)阱中的能量最低點(diǎn),就會(huì)受到指向穩(wěn)定點(diǎn)的恢復(fù)力作用而無法擺脫束縛. 移動(dòng)聚焦光斑,目標(biāo)對(duì)象也會(huì)隨之移動(dòng),因此實(shí)現(xiàn)了對(duì)微粒的捕獲和操控.

2.2 顯微激光改性

基于光與物質(zhì)的相互作用,聚焦激光束可以用來修飾甚至改變材料的性質(zhì). 顯微激光改性通常利用顯微鏡聚焦高功率激光束(mW量級(jí))對(duì)樣品進(jìn)行輻照,在激光束與樣品相互作用過程中,通過局域熱效應(yīng)、局域化學(xué)反應(yīng)等方式改變樣品的物理性質(zhì)、化學(xué)組分、應(yīng)力狀態(tài)等,實(shí)現(xiàn)調(diào)控樣品的性能. 結(jié)合空間定位系統(tǒng)、顯微鏡μm級(jí)的空間分辨率、激光工作模式的選擇(連續(xù)波激光、脈沖激光等)、激光參量的調(diào)節(jié)(波長、功率、偏振、脈寬、脈沖頻率等),對(duì)樣品進(jìn)行可控的高精度圖案化改性. 由于材料對(duì)激光束具有反射和吸收效應(yīng),激光改性通常發(fā)生在材料的表面區(qū)域,這使得顯微激光改性技術(shù)適用于低維材料本征性質(zhì)改性的研究,例如以石墨烯為代表的具有原子級(jí)厚度的二維材料體系[8].

圖3為改性光路示意圖,通過物鏡將高能量密度的聚焦激光束入射到微納材料表面,結(jié)合電動(dòng)位移臺(tái)、CCD成像設(shè)備以及特定的掃描移動(dòng)程序,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)材料精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、加工和改性. 例如,激光微納加工可集中應(yīng)用于超材料的表面結(jié)構(gòu)圖案化,得到交叉等離子體共振結(jié)構(gòu),與偏振開關(guān)共同作用實(shí)現(xiàn)彩色相位調(diào)制的全息圖像[9]. 通過控制聚焦激光的能量、掃描時(shí)間等參量,聚焦激光束可用于微納改性[10],在不同化學(xué)環(huán)境中利用聚焦激光束掃描材料,可以對(duì)材料中缺陷的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控,進(jìn)而控制材料的發(fā)光性能,實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)在材料媒介中的直寫式寫入、加密以及可視化讀取. 圖4所示為利用二維材料單層WS2實(shí)現(xiàn)上述功能[11-12],其中,(a)為激光直寫前單層WS2的光學(xué)圖像,(b)為寫入信息后單層WS2的熒光圖像,(c)為激光直寫后單層WS2的光學(xué)圖像,(d)為寫入信息后激光讀取單層WS2的加密信息.

圖3 改性光路示意圖[10]

(a) (b)

2.3 顯微測(cè)量

顯微光譜測(cè)量系統(tǒng)是能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)μm級(jí)物體觀測(cè)和光譜信息采集的儀器. 顯微光譜測(cè)量系統(tǒng)一般可分為3個(gè)模塊:照明與成像模塊、激光激發(fā)模塊以及光譜接收分析模塊. 可見,顯微光譜測(cè)量系統(tǒng)可以兼容顯微激光改性. 不同于顯微激光改性,顯微光譜測(cè)量系統(tǒng)不僅保持了顯微鏡對(duì)微小區(qū)域?qū)崟r(shí)成像的特點(diǎn),更具備采集該區(qū)域物體從紫外到紅外光波段內(nèi)光譜信息的能力,可普遍應(yīng)用于微納光學(xué)、材料學(xué)、生物技術(shù)等領(lǐng)域. 通常來講,顯微測(cè)量系統(tǒng)能夠用來實(shí)現(xiàn)反射、透射、熒光、拉曼、熒光壽命等多種光譜的測(cè)量.

在光鑷被發(fā)明之后,以聚焦激光束為核心,衍生出了各種高分辨率測(cè)量技術(shù),推動(dòng)了物理、材料、生物等學(xué)科的快速發(fā)展. 例如,基于光鑷捕獲物體的特點(diǎn),開發(fā)出掃描探針技術(shù)——光子力顯微鏡[8],可以測(cè)量fN量級(jí)的極小力,突破了光學(xué)衍射極限對(duì)樣品表面特征進(jìn)行成像,且兼具高速(104kHz量級(jí)的采樣率)的三維成像特點(diǎn),從而提升微納操控的精度[13],通過高位置敏感性和低彈簧常量的結(jié)合使該技術(shù)的分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他掃描探針技術(shù)[14].

聚焦激光束同時(shí)可用來探知物質(zhì)的組分、結(jié)構(gòu)及相對(duì)含量. 例如,顯微共聚焦激光拉曼光譜儀中通常使用TEM00連續(xù)波激光作為激發(fā)源,入射激光和材料分子或晶格產(chǎn)生相互作用而損失(或獲得)部分能量,致使散射光的頻率發(fā)生變化,通過光柵對(duì)散射光的分光作用以及監(jiān)測(cè)散射光特征峰強(qiáng)度的變化,以此來分析物質(zhì)組分、結(jié)構(gòu)等性質(zhì). 同時(shí),顯微共聚焦技術(shù)可以縮小激光光斑的尺寸(1～2 μm),顯著提高測(cè)量拉曼信號(hào)的空間分辨率. 目前,拉曼光譜已成為現(xiàn)代材料結(jié)構(gòu)分析的重要技術(shù)手段.

3 基于聚焦激光束技術(shù)的教學(xué)拓展

基于光與物質(zhì)的相互作用過程及熒光材料在生產(chǎn)生活中的廣闊應(yīng)用前景,以激光微納加工及熒光檢測(cè)一體化系統(tǒng)的光路搭建為技能培訓(xùn)基礎(chǔ),光路設(shè)計(jì)如圖5所示(為了避免儀器被損壞,在光譜儀前增加了帶通濾波片,以減少反射激光的輻照). 通過搭建4f系統(tǒng),將光源出射的發(fā)散白光變?yōu)闇?zhǔn)直平行光束. 利用光闌控制進(jìn)光量,調(diào)節(jié)操控區(qū)域的照明亮度;利用反射鏡可分別調(diào)節(jié)白光光路和激光光路的準(zhǔn)直性并對(duì)二者在傳播方向上進(jìn)行耦合;利用半透半反棱鏡將激光和白光同時(shí)引入系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)微納操控和監(jiān)測(cè)加工過程. 同時(shí),光學(xué)攝像機(jī)輔助采集樣品形貌信息,引入光譜儀接收材料的光致發(fā)光信號(hào). 其中,聚焦激光光斑和所探照區(qū)域視野的大小可通過選擇不同數(shù)值孔徑的物鏡來實(shí)現(xiàn).

圖5 熒光檢測(cè)以及激光微納加工系統(tǒng)一體化教學(xué)實(shí)驗(yàn)的光路圖

學(xué)生按照?qǐng)D5搭建光路,光路系統(tǒng)的調(diào)試按照等高同軸的原則. 增大激光功率后可以實(shí)現(xiàn)材料的改性加工.

使用CCD相機(jī)拍攝的典型微納加工結(jié)果如圖6所示.

圖6 CCD相機(jī)拍攝的典型微納加工結(jié)果

光譜儀的引入,可以拓展聚焦激光系統(tǒng)的光譜學(xué)應(yīng)用性. 在顯微光譜應(yīng)用中,聚焦激光束通常作為激發(fā)源. 利用聚焦的激發(fā)光,可以探測(cè)物體或材料光致發(fā)光的過程. 例如在半導(dǎo)體中,光致發(fā)光過程是指材料在光子的激發(fā)下,電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶并在價(jià)帶產(chǎn)生空穴,電子和空穴在各自的導(dǎo)帶和價(jià)帶中通過弛豫達(dá)到各自未被占據(jù)的最低激發(fā)態(tài),形成準(zhǔn)平衡態(tài),準(zhǔn)平衡態(tài)下的電子和空穴再通過復(fù)合發(fā)光.

課程以使用搭建的顯微光譜檢測(cè)系統(tǒng)獲得紅寶石的光致發(fā)光信號(hào)為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,并對(duì)所獲得的光譜進(jìn)行機(jī)理分析. 紅寶石的主要成分為Al2O3,摻有少量的Cr. Cr的外層電子排布為3d54s1,Cr摻入Al2O3晶格,失去外層3個(gè)電子后變成Cr3+. 當(dāng)紅寶石受到外界光源刺激,Cr3+3d軌道上的3個(gè)電子發(fā)生能級(jí)躍遷[15].

圖7(a)所示為學(xué)生測(cè)量的聚焦激光束信號(hào)(532.5 nm)和紅寶石光致發(fā)光(694.7 nm)信號(hào),其中圖7(b)為紅寶石光致發(fā)光信號(hào)的局部放大. 可以看到,借助光譜儀可以探測(cè)可見光波段內(nèi)任意波長處的光強(qiáng)信息.

(a)

結(jié)合圖8中Cr3+與激光作用的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖,4A2是基態(tài),2E是亞穩(wěn)態(tài),4F1和4F2是2個(gè)吸收帶. 紅寶石被532.5 nm的聚焦激光激發(fā)后,電子從4A2躍遷至3E,再通過無輻射弛豫過程至亞穩(wěn)態(tài)2E.電子在從亞穩(wěn)態(tài)2E返回躍遷至基態(tài)的過程中,產(chǎn)生2條強(qiáng)熒光線R1(λ=694.7 nm)和R2(λ=693.2 nm),通過光譜儀收集信號(hào),得到紅寶石的光致發(fā)光光譜圖. 值得注意的是,雖然區(qū)別于半導(dǎo)體中光致發(fā)光來自于電子空穴對(duì)的復(fù)合,紅寶石的光致發(fā)光來自于離子的受激-退激過程,但二者的發(fā)光機(jī)制本質(zhì)上都是電子從高能級(jí)向低能級(jí)產(chǎn)生的躍遷輻射.

圖8 紅寶石晶體中Cr3+能級(jí)及躍遷過程

4 結(jié)束語

將聚焦激光束的前沿科研技術(shù)轉(zhuǎn)化為面向本科生的實(shí)驗(yàn)技能培訓(xùn),有效提煉前沿科研成果中的創(chuàng)新思想融入到教學(xué)的各個(gè)階段,以拓寬學(xué)生的科研視野(例如光鑷與光致發(fā)光的物理原理為學(xué)生展示了豐富的光與物質(zhì)的相互作用過程). 同時(shí),從前沿科研成果入手提高學(xué)生的科研格局和創(chuàng)新意識(shí),突出在實(shí)驗(yàn)過程中培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力(例如熒光光譜檢測(cè)及激光微納加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)搭建與按需改造),鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析過程中對(duì)問題進(jìn)行針對(duì)性的思辨,對(duì)聚焦激光束的應(yīng)用場(chǎng)景拓展進(jìn)行思考. 教學(xué)實(shí)踐表明:在系統(tǒng)完成課程后,學(xué)生的自主創(chuàng)新能力得到提升.