聚焦激光束:從科研到教學的應用

呂俊鵬,高 磊,劉 琳,章 琦,劉宏微

(1.東南大學 物理學院,江蘇 南京 211189;2.南京師范大學 物理與技術學院,江蘇 南京 210023)

隨著激光技術的快速發展,聚焦激光束在工業、軍事、生活中的應用越來越廣泛. 聚焦激光束具有高空間分辨率、強能量密度等特點,已成為微納科研領域中的重要技術手段. 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用,設計了基于前沿聚焦激光技術轉化的教學實驗,著重強化學生的光學理論與技術基礎,培養學生的激光應用技能,掌握基礎微納加工/光刻原型設備的搭建技能,拓展聚焦激光技術的應用.

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躍遷到高能級,激發態電子經外場光子誘導,從高能級再躍遷回低能級,產生與誘導光子能量、偏振、運動方向等特征高度一致的輻射光子形成受激輻射,并在精確設計的光學諧振腔中產生光子增益,最終形成穩定的光子輸出模式,例如TEM00模. 根據光子發射的時域分布,激光通常分為連續波激光和脈沖激光,通過鎖模技術,脈沖激光的脈寬可以達到fs量級. 在具體實踐應用中,為了提高激光的空間分辨率與能量密度,通常需要使用光學透鏡組對激光進行聚焦,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),反比于透鏡組的數值孔徑(RN.A.),受限于光學衍射極限,一般用d～1.22λ/RN.A.估算聚焦尺寸.

2 聚焦激光束的科研應用舉例

2.1 光鑷

現代物理學已經證明光子具有動量,因此當高度聚焦的激光光束作用于粒子時,光子通過散射過程的動量交換與粒子相互作用,從而產生光輻射力.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強度梯度的方向,而散射力的方向則為光束傳輸的方向.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中的運動情況.為了實現在三維尺度上穩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分布.通常使用高數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,形成三維光學勢阱,從而把粒子穩定地捕獲在光束的焦點附近,并且捕獲的粒子可隨光束焦點的移動而移動.

1986年,Ashkin等人使用經過強聚焦的單束激光作為捕獲粒子的光源,將生物細胞穩定地捕獲于三維光學矢阱內[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也稱為光鑷技術. 由于該技術中光輻射力微弱(pN量級),因而光鑷能夠實現無接觸以及無機械性損傷地捕獲和操控μm量級的粒子. 這一優點使得光鑷技術成為物理學、化學、生物學等研究的重要工具[2-3],Ashkin也因此獲得2018年諾貝爾物理學獎.

典型的光鑷裝置如圖1所示,通常包含激光光源、光學顯微鏡、光鑷移動控制模塊、位移檢測傳感模塊、CCD相機與電腦. 圖1所示裝置使用紅外/氦氖激光光源并配合使用高數值孔徑物鏡將激光束聚焦到光學衍射極限來實現光鑷[4]. 通過操控物鏡,可以在獲得聚焦捕獲光的同時對被捕獲的物體進行成像. 目標物體通常置于小型微流體腔中,并將其固定在電動或壓電驅動的平移臺上以實現三維方向上可控的μm精度運動[5]. 通常情況下,光鑷只需要很小的光功率(低至幾mW)即可對μm甚至nm尺度的目標對象進行捕獲. 捕獲的實現主要依賴于聚焦激光束產生的光子力. 以微納顆粒為例,其光學響應通常用偶極子模型描述,其與光場相互作用的強度由偶極極化率決定.對于半徑為r和相對介電常量為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為電場分量.式(2)也可表示為

(3)

其中,E為電場強度,H為磁場強度,σ為消光截面,c為真空中的光速,ω為光場的角頻率.式(3)中的第1項表示由電場強度的梯度引起的力,主導光鑷中的三維約束;第2項為輻射壓力對應于傳播方向上的力;第3項是由空間極化梯度的存在產生的力,如圖2所示. Bustamante等人已證明,該光學作用力在pN量級[7]. 對于待操控的目標對象來說,激光束會聚形成的強聚焦光斑會形成三維光學勢阱,微粒將被束縛在其中. 一旦微粒偏離勢阱中的能量最低點,就會受到指向穩定點的恢復力作用而無法擺脫束縛. 移動聚焦光斑,目標對象也會隨之移動,因此實現了對微粒的捕獲和操控.

2.2 顯微激光改性

基于光與物質的相互作用,聚焦激光束可以用來修飾甚至改變材料的性質. 顯微激光改性通常利用顯微鏡聚焦高功率激光束(mW量級)對樣品進行輻照,在激光束與樣品相互作用過程中,通過局域熱效應、局域化學反應等方式改變樣品的物理性質、化學組分、應力狀態等,實現調控樣品的性能. 結合空間定位系統、顯微鏡μm級的空間分辨率、激光工作模式的選擇(連續波激光、脈沖激光等)、激光參量的調節(波長、功率、偏振、脈寬、脈沖頻率等),對樣品進行可控的高精度圖案化改性. 由于材料對激光束具有反射和吸收效應,激光改性通常發生在材料的表面區域,這使得顯微激光改性技術適用于低維材料本征性質改性的研究,例如以石墨烯為代表的具有原子級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,結合電動位移臺、CCD成像設備以及特定的掃描移動程序,實現對目標材料精準的實時監控、加工和改性. 例如,激光微納加工可集中應用于超材料的表面結構圖案化,得到交叉等離子體共振結構,與偏振開關共同作用實現彩色相位調制的全息圖像[9]. 通過控制聚焦激光的能量、掃描時間等參量,聚焦激光束可用于微納改性[10],在不同化學環境中利用聚焦激光束掃描材料,可以對材料中缺陷的狀態實現精準調控,進而控制材料的發光性能,實現信息數據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實現上述功能[11-12],其中,(a)為激光直寫前單層WS2的光學圖像,(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 顯微測量

顯微光譜測量系統是能夠同時實現μm級物體觀測和光譜信息采集的儀器. 顯微光譜測量系統一般可分為3個模塊:照明與成像模塊、激光激發模塊以及光譜接收分析模塊. 可見,顯微光譜測量系統可以兼容顯微激光改性. 不同于顯微激光改性,顯微光譜測量系統不僅保持了顯微鏡對微小區域實時成像的特點,更具備采集該區域物體從紫外到紅外光波段內光譜信息的能力,可普遍應用于微納光學、材料學、生物技術等領域. 通常來講,顯微測量系統能夠用來實現反射、透射、熒光、拉曼、熒光壽命等多種光譜的測量.

在光鑷被發明之后,以聚焦激光束為核心,衍生出了各種高分辨率測量技術,推動了物理、材料、生物等學科的快速發展. 例如,基于光鑷捕獲物體的特點,開發出掃描探針技術——光子力顯微鏡[8],可以測量fN量級的極小力,突破了光學衍射極限對樣品表面特征進行成像,且兼具高速(104kHz量級的采樣率)的三維成像特點,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合使該技術的分辨率遠遠超過其他掃描探針技術[14].

聚焦激光束同時可用來探知物質的組分、結構及相對含量. 例如,顯微共聚焦激光拉曼光譜儀中通常使用TEM00連續波激光作為激發源,入射激光和材料分子或晶格產生相互作用而損失(或獲得)部分能量,致使散射光的頻率發生變化,通過光柵對散射光的分光作用以及監測散射光特征峰強度的變化,以此來分析物質組分、結構等性質. 同時,顯微共聚焦技術可以縮小激光光斑的尺寸(1～2 μm),顯著提高測量拉曼信號的空間分辨率. 目前,拉曼光譜已成為現代材料結構分析的重要技術手段.

3 基于聚焦激光束技術的教學拓展

基于光與物質的相互作用過程及熒光材料在生產生活中的廣闊應用前景,以激光微納加工及熒光檢測一體化系統的光路搭建為技能培訓基礎,光路設計如圖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,將光源出射的發散白光變為準直平行光束. 利用光闌控制進光量,調節操控區域的照明亮度;利用反射鏡可分別調節白光光路和激光光路的準直性并對二者在傳播方向上進行耦合;利用半透半反棱鏡將激光和白光同時引入系統,實現微納操控和監測加工過程. 同時,光學攝像機輔助采集樣品形貌信息,引入光譜儀接收材料的光致發光信號. 其中,聚焦激光光斑和所探照區域視野的大小可通過選擇不同數值孔徑的物鏡來實現.

圖5 熒光檢測以及激光微納加工系統一體化教學實驗的光路圖

學生按照圖5搭建光路,光路系統的調試按照等高同軸的原則. 增大激光功率后可以實現材料的改性加工.

使用CCD相機拍攝的典型微納加工結果如圖6所示.

圖6 CCD相機拍攝的典型微納加工結果

光譜儀的引入,可以拓展聚焦激光系統的光譜學應用性. 在顯微光譜應用中,聚焦激光束通常作為激發源. 利用聚焦的激發光,可以探測物體或材料光致發光的過程. 例如在半導體中,光致發光過程是指材料在光子的激發下,電子從價帶躍遷至導帶并在價帶產生空穴,電子和空穴在各自的導帶和價帶中通過弛豫達到各自未被占據的最低激發態,形成準平衡態,準平衡態下的電子和空穴再通過復合發光.

課程以使用搭建的顯微光譜檢測系統獲得紅寶石的光致發光信號為實驗內容,并對所獲得的光譜進行機理分析. 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個電子后變成Cr3+. 當紅寶石受到外界光源刺激,Cr3+3d軌道上的3個電子發生能級躍遷[15].

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

(a)

結合圖8中Cr3+與激光作用的能級結構圖,4A2是基態,2E是亞穩態,4F1和4F2是2個吸收帶. 紅寶石被532.5 nm的聚焦激光激發后,電子從4A2躍遷至3E,再通過無輻射弛豫過程至亞穩態2E.電子在從亞穩態2E返回躍遷至基態的過程中,產生2條強熒光線R1(λ=694.7 nm)和R2(λ=693.2 nm),通過光譜儀收集信號,得到紅寶石的光致發光光譜圖. 值得注意的是,雖然區別于半導體中光致發光來自于電子空穴對的復合,紅寶石的光致發光來自于離子的受激-退激過程,但二者的發光機制本質上都是電子從高能級向低能級產生的躍遷輻射.

圖8 紅寶石晶體中Cr3+能級及躍遷過程

4 結束語

將聚焦激光束的前沿科研技術轉化為面向本科生的實驗技能培訓,有效提煉前沿科研成果中的創新思想融入到教學的各個階段,以拓寬學生的科研視野(例如光鑷與光致發光的物理原理為學生展示了豐富的光與物質的相互作用過程). 同時,從前沿科研成果入手提高學生的科研格局和創新意識,突出在實驗過程中培養學生的動手能力(例如熒光光譜檢測及激光微納加工系統的設計搭建與按需改造),鼓勵學生在實驗及數據分析過程中對問題進行針對性的思辨,對聚焦激光束的應用場景拓展進行思考. 教學實踐表明:在系統完成課程后,學生的自主創新能力得到提升.