用光推动纳米颗粒-菲托牛顿分辨光散射力测量

（论文部分内容摘抄）

光学机械操纵等离子体纳米粒子是当前感兴趣的领域，无论是基础还是应用。然而，目前尚无实验方法能够确定主导波长接近等离子体共振的入射光的前向散射力。在这里，我们展示了如何测量作用于溶液中金纳米粒子的散射力。光学捕获的80nm粒子被重复地从侧面推入与粒子等离子体频率共振的激光。粒子运动的锁定分析提供了散射力的测量值。我们获得的分辨率小于3 fN，这比迄今为止使用单光束光镊子对溶液中的纳米颗粒进行的可切换力测量要小一个数量级。我们将力测量结果与金纳米颗粒上光学散射力的模拟结果进行了比较，发现实验与理论在几小时内有很好的一致性。

图为用聚焦近红外激光将金纳米粒子困在水中的显微镜设置示意图，同时来自光纤的绿色激光将粒子推到与捕获光束正交的方向。

使用暗场油浸物镜和白光照明，由于在可见光波长范围内具有大的散射截面，可以对亚波长金纳米粒子进行视频检测。由于光镊激光的散射力也存在于非谐振激光波长下，金纳米粒子被俘获在略低于捕获激光的焦点。因此，镊子用镜头和扩束器预聚焦，以便将粒子移动到相机的焦点中并提高图像质量。视频记录与高速摄影机（德国Excelitas PCO公司，pco.dimax型号）在图像获取速度为500 fps和曝光时间为1.9 ms的情况下，在成像路径中设置了用于两种激光波长的缺口滤波器，以避免切割的工件。利用算法对获取的图像序列进行了位置跟踪。

因此，我们使用CCD相机进行光束剖面测量，并确定光束宽度为6士2 pm，并校正了水的折射率。由于金纳米颗粒的直径(80 nm)远小于该光束宽度，因此可以忽略空间强度梯度。因此，在等离子体共振频率下用激光照射只会产生正向散射力。共振激光的功率密度选择得非常低因此加热效应在这里不起作用。在绿色激光器开启和关闭时对粒子位置分布的控制测量证实了这一点，表明这种温度差不能被解决。

在我们的实验条件下，热泳效应的可能性可以忽略不计，这一点也很重要。热泳效应是指由于等离子体加热而沿温度梯度推动颗粒。由于金的高热导率，金纳米颗粒在激光照射后立即达到热平衡。在整个测量过程中，光学捕获的金颗粒的曝光时间在几毫秒的范围内。虽然颗粒只从一侧照射，但颗粒的温度是完全均匀的。

综上所述，我们利用光机械操纵和光学镊子相结合的方法，实验确定了作用于单个金纳米粒子的散射力。散射力在3 fN和21 fN之间测量。这种超高灵敏度是通过基于重复推动光学捕获的金纳米颗粒并在时间和频率域中分析颗粒轨迹的准锁定技术实现的。将该技术应用于空间变化的散射力场。

最后，我们通过实验验证了理论预测形状和幅度。利用本文提出的方法对纳米结构上的散射力进行实验测量，可以更定量地理解纳米尺度上的光机械操纵实验。

德国Excelitas PCO公司pco.dimax高速相机，具备高分辨率、高感光度、高帧率的优点，将高速实验过程完美记录，为实验提供强而有力的图像数据支持。

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