納米光鑷系統(tǒng)的研制及微小力學(xué)量的測(cè)量.pdf

1、從光鑷問(wèn)世至今已有二十年，它已從最初單純的捕獲操控微粒的裝置，發(fā)展成了今天集高精度操控和微小力學(xué)參數(shù)測(cè)量于一體的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，已經(jīng)成為生物學(xué)，納米科學(xué)和分散體系等涉及微小粒子的領(lǐng)域的一種理想研究手段。隨著這些領(lǐng)域的發(fā)展，人們對(duì)光鑷系統(tǒng)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)不斷提出新的要求。本研究就是以滿足這種日益增長(zhǎng)的需求為目標(biāo)來(lái)展開(kāi)的，包括設(shè)計(jì)研制一套全新的多功能光鑷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)——納米光鑷系統(tǒng)，探索更高精度更高效率的實(shí)驗(yàn)方法。論文特別著重于對(duì)關(guān)鍵的光鑷測(cè)量技

2、術(shù)的分析研究，建立了相匹配的測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)目前常用的測(cè)量方法所存在的問(wèn)題進(jìn)行了細(xì)致的討論和探究，以期為完善和發(fā)展新的實(shí)驗(yàn)方法提供有用的基礎(chǔ)。 光鑷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是利用光鑷技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)，我們的工作的第一步就是設(shè)計(jì)研制全新的光鑷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?；趯?duì)自身研究方向?qū)?shí)驗(yàn)系統(tǒng)的要求，確定了設(shè)計(jì)的基本考慮和目標(biāo)。一是要有多個(gè)可獨(dú)立操控的光鑷，二是系統(tǒng)應(yīng)有高的操控精度和測(cè)量精度，以適應(yīng)微小粒子運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)過(guò)程和粒子間相互作用的研究。通過(guò)調(diào)研

3、國(guó)際上已有實(shí)驗(yàn)裝置的經(jīng)驗(yàn)，我們選擇了三光鑷的方案，并針對(duì)不同操控維度的具體條件，設(shè)計(jì)了主動(dòng)操控和被動(dòng)操控兩種操控模式。在滿足納米精度的操控要求下，選擇了不同精度的操控驅(qū)動(dòng)方案(壓電驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng))，來(lái)完成不同維度的操控，既可以實(shí)現(xiàn)幾個(gè)光鑷同時(shí)對(duì)樣品進(jìn)行納米精度的操控，又可以保證對(duì)樣品具有較大的操控范圍，同時(shí)也降低了裝置構(gòu)建的費(fèi)用。為了使系統(tǒng)兼有高的空間分辨率和時(shí)間分辨率，裝置中配置了二套探測(cè)系統(tǒng)：CCD圖像探測(cè)系統(tǒng)和四象限光電探測(cè)系

4、統(tǒng)(QD)，引進(jìn)或提出了一些針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件的實(shí)驗(yàn)方法，諸如CCD圖像相關(guān)運(yùn)算分析法和四象限探測(cè)器系統(tǒng)結(jié)合背散射光照明方法，并開(kāi)發(fā)了相關(guān)的數(shù)據(jù)分析軟件。論文還討論了光阱剛度標(biāo)定問(wèn)題，分析比較了不同方法的精度和特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上為系統(tǒng)配置了合用的標(biāo)定方法。實(shí)際應(yīng)用表明，所建立的納米光鑷系統(tǒng)的位置定位精度和探測(cè)精度已經(jīng)達(dá)到了亞納米量級(jí)，微小力的測(cè)量精度達(dá)到了亞皮牛量級(jí)，滿足了微小粒子個(gè)體行為研究的需求。 在微小粒子個(gè)體行為的研究中常需

5、要測(cè)量粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的微小力學(xué)量，比如位移和力等物理量等。這時(shí)測(cè)量精度具有頭等重要的意義。論文著重研究了微粒位置和微小力的測(cè)量方法，特別是微粒位置的精確測(cè)量問(wèn)題，它不僅是運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本物理量，也是光阱剛度標(biāo)定的基礎(chǔ)。論文圍繞這一中心問(wèn)題，重點(diǎn)研究了采集系統(tǒng)帶寬和剛度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中樣品的縱向偏移這兩個(gè)參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量帶來(lái)的影響。由于樣品在液體環(huán)境中所做布朗運(yùn)動(dòng)的頻率很高，而任何采集系統(tǒng)的帶寬都是有限的，都要比布朗運(yùn)動(dòng)的帶寬低幾個(gè)量級(jí)，因此使用這些

6、采集系統(tǒng)都會(huì)損失一定的高頻信號(hào)，對(duì)應(yīng)在光鑷系統(tǒng)中就會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中所測(cè)量到的位移具有較大的誤差。通過(guò)使用Monte-Carlo數(shù)值模擬方法，我們從時(shí)域的角度研究了不同的實(shí)驗(yàn)條件下，采集系統(tǒng)曝光時(shí)間的有限長(zhǎng)度(或帶寬不足)給位置測(cè)量和使用熱運(yùn)動(dòng)分析法進(jìn)行剛度標(biāo)定帶來(lái)的影響。從這一視角進(jìn)行的分析是對(duì)傳統(tǒng)的頻域分析的補(bǔ)充。通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的分析，我們討論了帶來(lái)誤差的原因，以及使用熱運(yùn)動(dòng)分析法來(lái)標(biāo)定剛度時(shí)所需要的帶寬。 影響光鑷測(cè)力精度的

7、重要因素是其剛度標(biāo)定。在文獻(xiàn)中很早就報(bào)道過(guò)這樣的一個(gè)現(xiàn)象：當(dāng)光阱中的粒子受到橫向外力(通常為粘滯力)作用時(shí)，不僅在橫向上會(huì)偏離光阱中心，而且在縱向上也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)偏移。但是一直以來(lái)，很少有人對(duì)這個(gè)現(xiàn)象及可能給實(shí)驗(yàn)研究帶來(lái)的影響進(jìn)行系統(tǒng)的研究。我們首先從實(shí)驗(yàn)上測(cè)量了光阱捕獲的粒子在橫向外力下的縱向偏移量與橫向偏移量之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：樣品受到橫向力作用時(shí)，新的平衡位置并不是與光阱中心處在同一水平面，其縱向位置隨著橫向位移增加而升高。我

8、們進(jìn)而使用幾何光學(xué)模型分析光阱中微粒受到的光阱力的分布，由此計(jì)算了微粒的縱向平衡位置軌跡，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果一致。由于這個(gè)現(xiàn)象與使用流體力學(xué)法進(jìn)行橫向力測(cè)量的前提假設(shè)相矛盾，因此必然會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差。然而，分析也表明，在使用流體力學(xué)法標(biāo)定光阱橫向剛度時(shí)，只要保證樣品的橫向位置不超過(guò)一定的值，其誤差可以忽略；但對(duì)最大橫向阱力的測(cè)量，流體力學(xué)法所測(cè)量到的實(shí)際上是逃逸阱力，這個(gè)值比實(shí)際的最大橫向阱力要小很多。上述討論表明，為了更精確