论文标题：Optical trapping using transverse electromagnetic (TEM)-like mode in a coaxial nanowaveguide (封面报道：华中科大庞元杰团队基于同轴纳米波导中类横电磁模式的光捕获研究)

期刊：Frontiers of Optoelectronics

作者：Yuanhao LOU ,Xiongjie NING ,Bei WU ,Yuanjie PANG

发表时间：06 Dec 2021

DOI：10.1007/s12200-021-1134-3

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第一作者：娄源浩

通讯作者：庞元杰

通讯单位：华中科技大学

研究背景

光镊是一种在液态环境中对微纳粒子进行操控的技术。Ashkin教授在1970年首次利用光和物质相互作用中的动量交换产生的光学力实现了微纳粒子的捕捉。目前，光镊被广泛应用在光谱学、单分子生物学等多个领域，并于2018年获得诺贝尔物理学奖。相较于传统光镊依赖高数值孔径的物镜以形成紧密的焦点或将激光束耦合到微光学结构，光纤光镊利用光纤传导或聚焦激光束，结构更加紧凑，鲁棒性更好，使用也更加灵活。自1993年首次提出，研究人员设计了多种结构聚焦激光束实现光学捕捉，但是受限于光纤较小的数值孔径，光纤光镊很难实现单个纳米颗粒的捕捉。并且在这些研究中，光纤几乎都只是作为光传输的载体，光纤波导中的模式性质很少受到关注。

文章简介

近期，华中科技大学庞元杰教授研究团队提出基于同轴波导中的横电磁模式对称-对称破缺的光学力增强机制，实现单个10纳米颗粒的捕捉。相关工作以 Optical trapping using transverse electromagnetic (TEM)-like mode in a coaxial nanowaveguide为题作为封面文章发表在Frontiers of Optoelectronics 2021年第4期。

图文导读

1. 横电磁模式对称性

图1显示了同轴波导中的基模类横电磁模（TEM-like）模式的电场和磁场的分布。在可见光波段，同轴波导中激励起等离激元模式，尽管纵向上存在一定的分量，但是电场和磁场仍然保持了径向偏振和环形分布的横电磁模式的基本特点。

图1. (a)同轴波导结构示意图。(b)-(d),横电磁模式电场分量。(e)-(g),横电磁模式磁场分量

2. 模式对称-对称破缺机制提高光学力

图2 显示当纳米粒子靠近波导端面时，对类横电磁模式的电场和坡印廷矢量将会产生明显的扰动，模式的对称性受到明显的破坏。作为对比，粒子对于同轴波导中线偏振模式（Linearly Polarized mode, LP mode）的电场和坡印廷矢量的扰动远小于横电磁模式。

图2. (a)类横电磁模式和 (b)线偏振模式的电场变化。(c)类横电磁模式和 (d)线偏振模式的坡印廷矢量变化率

类TEM模式的对称性导致其在光纤端面处与自由空间严重失配，进而造成较低的耦合和透射效率。但是当粒子的扰动显著破坏场的对称性时，模式透射效率的明显增加（图3a）。作为对照，缺乏对称性的线偏振模式（Linearly polarized mode，LP mode）的透射效率对于粒子的扰动并不敏感（图3b）。

图3.同轴波导中(a)类横电磁模式和 (b)线偏振模式的透射曲线

透射强度的增加伴随着光和纳米颗粒的光子动量交换过程，形成一种自发反作用（self-induced back-action， SIBA）捕捉机制，能够显著提高施加在纳米颗粒上的光学力。利用麦克斯韦应力张量法，计算了施加在单个10纳米颗粒的光学力。在类横电磁模式的激励下，光学力最大可以达到7.78 pN/mW，势阱深度达到了14 kbT，能够实现粒子的稳定捕捉。然而在线偏振模式的激励下，光学力仅为0.24 pN/mW，远小于TEM模式激励下的光学力，0.38 kbT的势阱深度也不足以克服粒子的热运动。

图4.类横电磁模式和激励下的(a)力场分布和(b)势阱。线偏振模式激励下的(a)力场分布和(b)势阱

总结和展望

我们提出了一种基于同轴波导中横电磁模式的对称-对称破缺机制的自发反作用纳米光镊，成功实现了单个10纳米粒子的稳定捕捉。纳米粒子的出现将会弱化模式的对称性，带来透射光强的增加以及施加在粒子上的自发反作用光学力，提高了捕捉的稳定性。这种利用波导模式增强捕捉光学力的方法为后续光纤光镊设计提供了新的角度和思路。

摘要

Optical traps have emerged as powerful tools for immobilizing and manipulating small particles in three dimensions. Fiber-based optical traps (FOTs) significantly simplify optical setup by creating trapping centers with single or multiple pieces of optical fibers. In addition, they inherit the flexibility and robustness of fiber-optic systems. However, trapping 10-nm-diameter nanoparticles (NPs) using FOTs remains challenging. In this study, we model a coaxial waveguide that works in the optical regime and supports a transverse electromagnetic (TEM)-like mode for NP trapping. Single NPs at waveguide front-end break the symmetry of TEM-like guided mode and lead to high transmission efficiency at far-field, thereby strongly altering light momentum and inducing a large-scale back-action on the particle. We demonstrate, via finite-difference time-domain (FDTD) simulations, that this FOT allows for trapping single 10-nm-diameter NPs at low power.

通讯作者介绍

庞元杰，教授，博士生导师。2008年于加拿大维多利亚大学电气工程系获得工学学士学位，2012于加拿大维多利亚大学电气工程系获得博士学位，2012 – 2015年于美国密歇根大学药学院担任博士后研究员，2015 – 2018年于加拿大多伦多大学机械学院与电气工程学院担任双聘博士后研究员。2018年入选国家级人才计划，现在华中科技大学光学与电子信息学院担任教授职位。庞元杰教授的研究兴趣广泛，目前课题组主要开展等离激元纳米光镊，原位光谱学以及电催化CO₂及CO还原制取高赋值燃料储能等方向研究，相关科研成果发表于Nature，Science，Nature Nanotechnology，Nature Catalysis，Nature Communications, Nano Letters，Green Chemistry，Optics Express，Biomedical Optics Express，ACS Sustainable Chemistry and Engineering，Journal of Materials Chemistry A 等国际知名期刊。

课题组简介

课题组目前已具备完善的实验条件，与国内外课题组合作广泛，主要开展关于纳米光镊与电催化清洁能源存储的研究：通过设计合适的纳米光学结构调控局域电磁场，实现单个纳米颗粒特别是纳米发光体（如量子点，上转化纳米颗粒等）的原位表征与光激发，制备包括纳米激光器、单光子源在内的纳米光源；通过设计催化剂材料制备与晶格结构调控，新型反应器设计，新型电极结构设计与制备，原位表征技术等提高电催化CO₂及CO还原制取高赋值产物的选择性和效率。

招生信息

华中科技大学光电信息学院庞元杰老师课题组招收硕士生、直博生或考核制博士生，科研方向为等离激元纳米光学或电催化清洁能源存储，光学、化学、化工、材料、能源、电子背景学生均可报名，有材料化学合成、电化学工作站、气相色谱仪、液相色谱仪、质谱仪、核磁共振波谱仪、XRD、XPS、SEM、TEM、拉曼光谱仪、傅里叶红外光谱仪、高压容器实验经验者优先。欢迎有意愿的同学将简历、发表论文与成绩单发送至庞老师邮箱：yuanjie_pang@hust.edu.cn。

期刊介绍

Frontiers of Optoelectronics (FOE)期刊是由教育部主管、高等教育出版社出版、德国施普林格（Springer）出版公司海外发行的Frontiers系列英文学术期刊之一，以网络版和印刷版两种形式出版。由北京大学龚旗煌院士、华中科技大学张新亮教授共同担任主编。

其宗旨是介绍国际光电子领域最新研究成果和前沿进展，并致力成为本领域内研究人员与国内外同行进行快速学术交流的重要信息平台。该刊的联合主办单位是高等教育出版社、华中科技大学和中国光学学会，承办单位是武汉光电国家研究中心。FOE期刊已被Emerging Sources Citation Index (ESCI), Ei Compendex, SCOPUS, INSPEC, Google Scholar, CSA, Chinese Science Citation Database (CSCD), OCLC, SCImago, Summon by ProQuest等收录。2019年入选中国科技期刊卓越行动计划梯队期刊项目。

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中13种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

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