光鑷?yán)碚撃Ｐ腿舾蓡栴}研究.pdf

1、1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者Ashkin首先用一束TEMoo模式的高斯光束在垂直于光傳播方向上束縛了水中乳膠微粒，這一實(shí)驗(yàn)的成功奠定了光鑷的研究基礎(chǔ)。1986年，Ashkin又利用高數(shù)值孔徑物鏡將單束激光高度聚焦形成了三維光勢(shì)阱，并證明了這種光勢(shì)阱可以無(wú)損傷地操縱活體物質(zhì)。目前通常說(shuō)的光鑷就是這樣的三維光勢(shì)阱。由于光鑷具有微米量級(jí)的精確定位、分選個(gè)體、在活體狀態(tài)下操作細(xì)胞等微粒的特點(diǎn)，所以光鑷自從出現(xiàn)以后，便迅速被應(yīng)用到了生命科學(xué)領(lǐng)

2、域中，顯示出了強(qiáng)大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景。之后，光鑷技術(shù)經(jīng)歷了快速的發(fā)展，目前已經(jīng)應(yīng)用到生物、醫(yī)學(xué)以外的物理、化學(xué)、機(jī)械等很多領(lǐng)域。
　　 光鑷在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用促進(jìn)了光鑷?yán)碚摰陌l(fā)展。由于被俘獲樣品的材料、形狀和折射率分布越來(lái)越復(fù)雜，所以相關(guān)的光鑷?yán)碚撃Ｐ托枰M(jìn)一步研究。通常在利用幾何光學(xué)模型計(jì)算透明樣品的光俘獲力時(shí)一般不考慮材料的吸收，但是在研究吸收微粒的光俘獲力時(shí)就必須要對(duì)幾何光學(xué)模型進(jìn)行擴(kuò)展。瑞利模型一般忽略了材料的相對(duì)磁

3、導(dǎo)率，但在研究該尺度下磁性微粒的光俘獲時(shí)也應(yīng)該考慮材料磁導(dǎo)率以使模型更加適用。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)這些問題做了深入的研究和探討，為光俘獲的實(shí)驗(yàn)研究提供了一定的理論依據(jù)和數(shù)值參考。
　　 各章節(jié)內(nèi)容如下：
　　 第一章首先概括介紹光鑷的基礎(chǔ)、基本裝置和基本原理，然后重點(diǎn)介紹了光鑷的基本理論模型，接著介紹了光鑷的研究進(jìn)展，最后概要介紹本論文的主要研究?jī)?nèi)容。
　　 第二章在幾何光學(xué)模型基礎(chǔ)上研究了吸收球形微粒的光

4、俘獲特性，并對(duì)其在高斯光束中受到的光俘獲力進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，吸收球形微?？梢员环€(wěn)定橫向俘獲，并且穩(wěn)定光俘獲位置隨著吸收系數(shù)變化而改變。吸收系數(shù)很小時(shí)，球形微粒的穩(wěn)定光俘獲位置始終位于光軸上；而吸收系數(shù)較大時(shí)，球形微粒的穩(wěn)定光俘獲位置可以位于光軸上，也可以位于中心在光軸的圓上。發(fā)生光軸上的光俘獲時(shí)，吸收球形微粒在穩(wěn)定光俘獲位置的光俘獲力剛度隨著吸收系數(shù)增加而減少；而發(fā)生光軸外的光俘獲時(shí)，相應(yīng)光俘獲力的剛度隨著吸收系數(shù)增加而增加。光

5、俘獲力的剛度還隨著高斯光束的束腰減小而增加。我們的研究對(duì)于吸收球形微粒的光俘獲機(jī)制提供了理論解釋。
　　 第三章在幾何光學(xué)模型下研究了雙層球形微粒的光俘獲力模型，并且對(duì)典型雙層球形微粒在環(huán)形光束和高斯光束中的光俘獲力進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬的結(jié)果顯示，非吸收的雙層球形微粒可以被穩(wěn)定俘獲在環(huán)形光束中，并且穩(wěn)定光俘獲的位置隨著其折射率分布情況變化。模擬的結(jié)果還顯示吸收雙層球形微粒在高斯光束中被穩(wěn)定俘獲的位置要受微粒吸收系數(shù)的變化的影響。

6、光俘獲力的峰值受內(nèi)外半徑的比值的影響。我們的研究為細(xì)胞等分層結(jié)構(gòu)的微粒的光俘獲提供了理論依據(jù)。
　　 第四章研究了瑞利尺度下微粒的光俘獲力特性。我們?cè)谌鹄Ｐ突A(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)磁性微粒的光俘獲力特性進(jìn)行了研究。研究表明，通常的弱磁性微粒受到的磁偶極梯度力對(duì)光俘獲力的貢獻(xiàn)比電偶極梯度力對(duì)光俘獲力的貢獻(xiàn)小5-6個(gè)數(shù)量級(jí)。而強(qiáng)磁性微粒受到的磁偶極梯度力對(duì)光俘獲力的貢獻(xiàn)可以接近甚至超過(guò)電偶極梯度力對(duì)光俘獲力的貢獻(xiàn)。我們還對(duì)瑞利模型下非磁性物