انبرک نوری مبتنی بر نانومتمرکزسازیِ پلاسمون های سطحیِ جفت شده در دو نوار طلا

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی برق، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، خراسان رضوی، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی برق، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، خراسان رضوی، ایران

چکیده

در این مقاله یک انبرک نوری با قابلیت جابجایی و آشکارسازی نانوذرات با استفاده از جفت‌شدگیِ پلاسمون‌های سطحیِ دو نوار طلا و نیز نانومتمرکزسازی آن پیشنهاد می‌شود. برای بررسی عملکرد ساختار پیشنهادی، ابتدا مدهای پلاسمونی با استفاده از روش تفاضل محدود مد ویژه محاسبه شده و سپس با استفاده از روش عددی تفاضل محدود حوزه زمان و محاسبه تنسورِ تنش ماکسول، نیروهای نوری به دست آمده است. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد ساختار پیشنهادی قابلیت به دام انداختن نانوذرات و نیز جابجایی آن‌ها را دارد. به‌دلیل وابستگی مکان‌های تله به فرکانس نور ورودی، ساختار پیشنهادی علاوه بر قابلیت جابجایی نانوذرات با جابجایی مکانیکی انبرک نوری، با تنظیم فرکانس نیز می‌تواند نانوذرات را جابجا نماید. همچنین نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد به دلیل وابستگی توان منعکس شده به ضریب شکست نانوذره به دام افتاده، با تحلیل توان انعکاس یافته می‌توان نانوذره به دام افتاده را حس کرد. ما بر این باوریم این ساختار می‌تواند در حوزه‌های مختلف به خصوص در علوم زیستی برای مطالعه و جابجایی نانوذرات مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Optical Tweezers based on Nano-focusing of Coupled Surface Plasmons in two Gold Strips

نویسندگان [English]

  • Mohammad-reza Hasanpour 1
  • M. Ghorbanzadeh 2
1 Faculty of Electrical and Computer Engineering, Hakim Sabzevari University, P.O. Box 397, Sabzevar 9617976487, Iran.
2 Faculty of Electrical and Computer Engineering, Hakim Sabzevari University, P.O. Box 397, Sabzevar 9617976487, Iran.
چکیده [English]

In this paper an optical tweezer with the ability to manipulate and sense nanoparticles using the coupling of surface plasmons of two gold strips and its nano-focusing is proposed. To investigate the performance of the proposed structure, at first the plasmonic modes have been calculated by the finite difference Eigen-mode method and then using the finite-difference time-domain method and calculating Maxwell stress tensor the optical forces have been obtained. The simulation results show that the proposed structure has the ability to trap and manipulate nanoparticles. Due to the dependency of the trapping sites on the incident light frequency, the proposed structure, in addition to the ability to move nanoparticles by mechanical movement of the optical tweezer, can also move nanoparticles by tuning the frequency. Also, the simulation results show that due to the dependency of the reflected power on the refractive index of the trapped nanoparticle, the trapped nanoparticle can be sensed by analysing the reflected power. We believe this structure can be used in various fields, especially in biological sciences, to study and move nanoparticles.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Surface plasmon
  • optical force
  • nanoparticles
  • nano-focusing
  • optical tweezers
  • finite-difference time-domain

مراجع

[1] A. Ashkin, "Acceleration and trapping of particles by radiation pressure", Phys. Rev. Lett, vol. 24, no. 4, pp. 24–27, 1970.
[2] M. Samadi, P. Alibeigloo, A. Aqhili, M. A. Khosravi, F. Saeidi, S. Vasini, M. Ghorbanzadeh, S. Darbari, and M. K. Moravvej-Farshi, "Plasmonic tweezers: Towards nanoscale manipulation", Opt. Lasers Eng, vol. 154, no. January, p. 107001, 2022.
[3] سیدنادر سیدریحانی، علی آزادبخت، الهام میرزاحسین، ملیکا متقیان، مهرداد بابایی، «اندازه‌گیری خواص ویسکوالاستیک گلبول قرمز خون توسط انبرک نوری»، مجلۀ پژوهش فیزیک ایران، جلد 19، شماره 1، صفحات 101-108، 1397.
[4] Y. Zhang, C. Min, X. Dou, X. Wang, H. P. Urbach, M. G. Somekh, and X. Yuan, "Plasmonic tweezers: for nanoscale optical trapping and beyond", Light Sci. Appl, vol. 10, no. 1, pp. 1-41, 2021.
[5] C. J. Bustamante, Y. R. Chemla, S. Liu, and M. D. Wang, "Optical tweezers in single-molecule biophysics", Nat. Rev. Methods Prim. vol. 1, no. 1, pp. 1-25, 2021.
[6] سارا سجادنیا، محمد سروش، کریم انصاری اصل، «پیشنهاد یک طرح جدید به‌منظور افزایش بازده دیود گسیل نور گالیم نیتراید مبتنی بر بلور فوتونی»، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، جلد 48، شماره 3، صفحات 1179-1185، 1397.
[7] M. Sahafi and A. Habibzadeh-Sharif, "Robust increase of the optical forces in waveguide-based optical tweezers using V-groove structure", J. Opt. Soc. Am. B, vol. 35, no. 8, pp. 1905-1909, 2018.
[8] M. Sahafi and A. Habibzadeh-Sharif, "Contactless optical trapping and manipulation of nanoparticles utilizing SIBA mechanism and EDL force", Opt. Express, vol. 27, no. 20, pp. 28944-28951, 2019.
[9] M. Sahafi and A. Habibzadeh-Sharif, "All-optical trapping, relocation, and manipulation of nanoparticles using SOI ring resonators", J. Opt. Soc. Am. B, vol. 36, no. 8, pp. 2178-2183, 2019.
[10] مهدیه بزرگی و محمود رفائی بوکت، «لنز فراسطح پلاسمونی مسطح آرایش‌پذیر با استفاده از ماده ناهمسانگرد TiO2: طراحی و شبیه‌سازی»، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، جلد 52، شماره 4، صفحات 237-229، 1401.
[11] H. Choo, M. K. Kim, M. Staffaroni, T. J. Seok, J. Bokor, S. Cabrini, P. J. Schuck, M. C. Wu, and E. Yablonovitch, "Nanofocusing in a metal-insulator-metal gap plasmon waveguide with a three-dimensional linear taper", Nat. Photonics, vol. 6, no. 12, pp. 838–844, 2012.
[12] M. Hasanpour and M. Ghorbanzadeh, "Investigation of plasmonic mode coupling of two gold nano-strips", The 28th Iranian Conference on Optics and Photonics, ICOP (2022), 2022.
[13] M. L. Juan, R. Gordon, Y. Pang, F. Eftekhari, and R. Quidant, "Self-induced back-action optical trapping of dielectric nanoparticles", Nat. Phys. vol. 5, no. 12, pp. 915–919, 2009.
[14] K. Wang, E. Schonbrun, P. Steinvurzel, and K. Crozier, "Scannable plasmonic trapping using a gold stripe", Nano Lett, vol. 10, no. 9. pp. 3506–3511, 2010.
[15] M. Ghorbanzadeh, M. Moravvej-Farshi, and S. Darbari, "Designing a plasmonic optophoresis system for trapping and simultaneous sorting/counting of micro- and nano-particles", J. Light. Technol, vol. 33, no. 16, pp. 3453–3460, 2015.
[16] G. Wang, Z. Ying, H. Ho, Y. Huang, N. Zou, and X. Zhang, "Nano-optical conveyor belt with waveguide-coupled excitation", Opt. Lett, vol. 41, no. 3, pp. 528-531, 2016.
[17] M. Ghorbanzadeh, S. Darbari, and M. Moravvej-Farshi, "Graphene-based plasmonic force switch", Appl. Phys. Lett, vol. 108, no. 12, p. 111105, 2016.
 [18] M. Ghorbanzadeh, S. Jones, M. K. Moravvej-Farshi, and R. Gordon, "Improvement of sensing and trapping efficiency of double nanohole apertures via enhancing the wedge plasmon polariton modes with tapered cusps", ACS Photonics, vol. 4, no. 5, pp. 1108–1113, 2017.
[19] M. Ghorbanzadeh, M. Moravvej-Farshi, and S. Darbari, "Plasmonic optophoresis for manipulating, in Situ position monitoring, sensing, and 3-D trapping of micro/nanoparticles", IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron, vol. 23, no. 2, pp. 185-192, 2017.
[20] M. Ghorbanzadeh and S. Darbari, "Efficient plasmonic 2D arrangement and manipulation system, suitable for controlling particle–particle interactions", J. Light. Technol, vol. 37, no. 9, pp. 2058–2064, 2019.
[21] M. Ghorbanzadeh, "Numerical investigation of high-speed electrically reconfigurable plasmofluidic channels for particle manipulation", J. Opt. Soc. Am. B, vol. 37, no. 10, pp. 2830-2838, 2020.
[22] P. Alibeigloo, M. Ghorbanzadeh, and M. K. Moravvej-Farshi, "Repositioning of plasmonic hotspots along the sidewalls of conical nanoholes: a numerical investigation", OSA Contin, vol. 3,no. 10, pp. 2817-2829, 2020.
 [23] M. Ghorbanzadeh, "Numerical investigation of bidirectionally tunable, nanometer-precise, and compact tweezers for screening gold nanoparticles", J. Opt. Soc. Am. B, vol. 38, no. 4, pp. 1235-1240, 2021.
 [24] M. Rahnamafar and M. Ghorbanzadeh, "Sub-nanometer manipulation of multiple nanoparticles by non-uniformly back-gated graphene sheet/strips", J. Opt. Soc. Am. B, vol. 40, no. 5, pp. 1259-1266, 2023.
[25] امیراشکان درویش، بیژن ذاکری گتابی، نفیسه رادکانی، «کاهش اثر بازگشتی لایه‌های تطبیق کامل جهت بهبود دقت روش تفاضل محدود حوزه زمان در سنجش از دور محیط‌های الکترومغناطیسی نامحدود دارای سطوح ناهموار تصادفی»، مجله مهندسی برق دانشگاه تبریز، جلد 48، شماره 1، صفحات 42-33، 1397.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار