طراحی تلۀ لیزری با استفاده از نانو آنتن نوری پلاسمونیکی و لیزر مرئی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه فیزیک، دانشگاه ملایر

2 گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه ملایر، ملایر

چکیده

در این مقاله با استفاده از نانو آنتن نوری و لیزری در ناحیۀ مرئی بر مبنای تشدید پلاسمون سطحی موضعی، یک تله لیزری با قابلیت اعمال نیروی اپتیکی پیکو نیوتنی طراحی شده است. معادلات ماکسول حاکم بر سیستم به روش تفاضل محدود حوزۀ زمان بصورت عددی حل شده است. سپس اثر حضور شیارهای دایره ای نوک این نانو آنتن را بر میزان نیروی اپتیکی این تلۀ لیزری مورد بررسی قرار داده ایم. نتایج شبیه سازی نشان داد بیشینۀ شدت میدان الکتریکی برای حالتهای بدون و با شیار به ترتیب در طول موجهای 533 و 608 نانومتر رخ می دهد و در ضمن، ایجاد شیار بر نوک نانو آنتن باعث افزایش این شدت در نوک نانو آنتن می شود. همچنین نیروی اپتیکی وارد بر نانو ذرۀ کروی 10 نانومتری در فاصله 3 نانومتری از نوک نانوآنتن طراحی شده، برای حالتهای بدون و با شیار به ترتیب0.11 pN/W و 0.55 pN/W بدست آمد. یعنی اولاً نانو آنتن نوری پلاسمونیکی طراحی شده می تواند به عنوان تلۀ لیزری برای نانو ذرات فلزی استفاده شود. ثانیاً ایجاد شیار سطحی بر نوک این نانو آنتن، نیروی اپتیکی و در نتیجه کارایی تلۀ لیزری را حدود 5 برابر می کند.

کلیدواژه‌ها


[1]. A. Ashkin, “Acceleration and trapping of particles by radiation pressure”, Phys. Rev. Lett., Vol. 24, 156-159, 1970.
 
[2].A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, S. Chu, “Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles”, Opt. Lett. 11, 288-290, 1986.
 
[3]. A. Ashkin, J. M. Dziedzic, T. Yamane, “Optical Trapping and Manipulation of Single Cells Using Infrared Laser Beams”, Nature 330, 769-771, 1987.
 
[4]. A. Ashkin, J.M. Dziedzic, “Optical Trapping and Manipulation of Viruses and Bacteria”, Science 235,1517-1520, 1987.
 
[5]. S.C. Kuo, M.P. Sheetz: Force of single kinesin molecules measured with optical tweezers, Science 260:232-234,1993.
 
[6]. S. Chu: Laser Manipulation of Atoms and Particles, Science 253:861-866,1991.
 
[7]. H. Liang, W.H. Wright, W. He, M.W. Berns, “Micromanipulation of mitotic chromosomes in PTK-2 cells using laser-induced optical forces ("optical tweezers")”, Exp. Cell Res. 197, 1 -35, 1991.
 
[8]. K. Svoboda, S. M. Block: “Biological applications of optical forces”, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 23, 147-285, 1994.
 
[9]. A. Höppener, R. Beams, L. Novotny, “Background suppression in near-field optical imaging”, Nano letters, 1, 903-908, 2009.
[10]. M. Zohrabi, M. R. Mohebbifar, “Electric field enhancement around gold tip optical antenna”, Plasmonics, 10, 887–892, 2015.
 
[11]. P. Matthew, J. Aizpurua, G. Bryant, “Metal‐nanoparticle plasmonics”, Laser & Photonics Reviews, 2, 136-159, 2008.
 
[12]. J.N. Farahani, D.W. Pohl, H.J. Eisler, B. Hecht, “Single quantum dot coupled to a scanning optical antenna: a tunable superemitter”, Physical Review Letters, 95, 82-90, 2005.
 
[13]. I. Maouli, A. Taguchi, Y. Saito, S.Kawata, and P. Verma, “Optical antennas for tunable enhancement in tip-enhansed Raman spectroscopy imaging”, Applied Physics Express, 8, 032401, 2015.
 
[14]. S. Zeng; Baillargeat, Dominique; Ho, Ho-Pui; Yong, Ken-Tye, "Nanomaterials enhanced surface plasmon resonance for biological and chemical sensing applications". Chemical Society Reviews. 43 (10), 3426–3452, 2014.
 
[15]. D. Sevenler, N. Lortlar Ünlü, and M. Selim Ünlü, "Nanobiosensors and Nanobioanalyses". Chapter 5, 85–88, 2015.
 
[16]. D. Guan Xiang; M. Tetsuji; S. Michiaki; Saito, Shin; Fukuda, Hiroaki; Takahashi, Migaku. "Evidence of localized surface plasmon enhanced magneto-optical effect in nanodisk array". Appl. Phys. Lett. 96 (8): 081915, 2010.
 
[17]. L. Novotny, P. Bharadwaj, Deutsch B  “Optical antennas”. Adv Opt Photon 1(3):438–483, 2009.
 
[18]. D. Vittorini-Orgeas,; A. Bianconi, , "From Majorana Theory of Atomic Autoionization to Feshbach Resonances in High Temperature Superconductors". Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. Springer Science and Business Media LLC. 22 (3): 215–221, 2009.
 
[19]. R.M.S. De Oliveira, “CLSS Computational Environment for Simulating Lightning Strokes in a Power Substation by Finite-Difference Time-Domain Method”, IEEE Trans Electromagn Compat 51(4):995–1000, 2009.
 
[20]. B. Chaudhury, J.P. Boeuf, “Computational Studies of Filamentary Pattern Formation in a High Power Microwave Breakdown Generated Air Plasma”. IEEE Trans Plasma Sci 38(9): 2281–2288, 2010.
 
[21]. F. Moxley, T. Byrnes, F. Fujiwara, “A generalized finite-difference time-domain quantum method for the N-body interacting Hamiltonian”. Comput Phys Commun 183(11):2434–2440, 2012.
 
[22]. F. Moxley, D.T Chuss, W. Dai, “ A generalized finite-difference time-domain scheme for solving nonlinear Schrödinger equations”. Comput Phys Commun 184(8):1834–1841, 2013.
 
[23]. Siriwitpreecha A, Rattanadecho P, Wessapan T, “The influence of wave propagation mode on specific absorption rate and heat transfer in human body exposed to electromagnetic wave”. Int J Heat Mass Transfer 65:423–434, 2013.
 
[24]. Y. Okazaki, K. Suzuki, Y. Enomoto, “Superconducting microstrip resonator investigated by FDTD electromagnetic field simulator”. IEEE Trans Appl Supercond 9((2):3034–3037, 1999.
 
[25]. J.M. Gerton, L.A Wade, G.A Lessard, Z. Ma, Quake SR, “Tip enhanced fluorescence microscopy at 10 nanometer resolution”, Phys Rev Lett 93(18):180801, 2004.
 
[26]. Y.C. Martin, H.F. Hamann, Wickramasinghe HKT “Strength of the electric field in apertureless near-field optical microscopy”, J Appl Phys 89:5774–5778, 2001.
 
[27]. M. Zohrabi, M.R. Mohebbifar, “Influence of Grating Parameters on the Field Enhancement of an Optical Antenna under Laser Irradiation”, Journal of Optoelectronical Nanostructures. 4, 65-80, 2019.
[28]. S.S Kharintsev, G.G. Hoffmann, A.I. Fishman and M. Kh. Salakhov, “Plasmonic optical antenna design for performing tip-enhanced Raman spectroscopy and microscopy”, Journal of Physics D: Applied Physics 46, 145501, 2013.