光鑷理論模型若干問題研究.pdf

1、1970年，美國貝爾實驗室的學者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，這一實驗的成功奠定了光鑷的研究基礎。1986年，Ashkin又利用高數值孔徑物鏡將單束激光高度聚焦形成了三維光勢阱，并證明了這種光勢阱可以無損傷地操縱活體物質。目前通常說的光鑷就是這樣的三維光勢阱。由于光鑷具有微米量級的精確定位、分選個體、在活體狀態(tài)下操作細胞等微粒的特點，所以光鑷自從出現以后，便迅速被應用到了生命科學領

2、域中，顯示出了強大的生命力和廣闊的應用前景。之后，光鑷技術經歷了快速的發(fā)展，目前已經應用到生物、醫(yī)學以外的物理、化學、機械等很多領域。
　　 光鑷在眾多領域的應用促進了光鑷理論的發(fā)展。由于被俘獲樣品的材料、形狀和折射率分布越來越復雜，所以相關的光鑷理論模型需要進一步研究。通常在利用幾何光學模型計算透明樣品的光俘獲力時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就必須要對幾何光學模型進行擴展。瑞利模型一般忽略了材料的相對磁

3、導率，但在研究該尺度下磁性微粒的光俘獲時也應該考慮材料磁導率以使模型更加適用。本文在前人研究的基礎上，對這些問題做了深入的研究和探討，為光俘獲的實驗研究提供了一定的理論依據和數值參考。
　　 各章節(jié)內容如下：
　　 第一章首先概括介紹光鑷的基礎、基本裝置和基本原理，然后重點介紹了光鑷的基本理論模型，接著介紹了光鑷的研究進展，最后概要介紹本論文的主要研究內容。
　　 第二章在幾何光學模型基礎上研究了吸收球形微粒的光

4、俘獲特性，并對其在高斯光束中受到的光俘獲力進行了數值模擬。結果表明，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變化而改變。吸收系數很小時，球形微粒的穩(wěn)定光俘獲位置始終位于光軸上；而吸收系數較大時，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，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增加而減少；而發(fā)生光軸外的光俘獲時，相應光俘獲力的剛度隨著吸收系數增加而增加。光

5、俘獲力的剛度還隨著高斯光束的束腰減小而增加。我們的研究對于吸收球形微粒的光俘獲機制提供了理論解釋。
　　 第三章在幾何光學模型下研究了雙層球形微粒的光俘獲力模型，并且對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行了數值模擬。模擬的結果顯示，非吸收的雙層球形微?？梢员环€(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的變化的影響。

6、光俘獲力的峰值受內外半徑的比值的影響。我們的研究為細胞等分層結構的微粒的光俘獲提供了理論依據。
　　 第四章研究了瑞利尺度下微粒的光俘獲力特性。我們在瑞利模型基礎上，重點對磁性微粒的光俘獲力特性進行了研究。研究表明，通常的弱磁性微粒受到的磁偶極梯度力對光俘獲力的貢獻比電偶極梯度力對光俘獲力的貢獻小5-6個數量級。而強磁性微粒受到的磁偶極梯度力對光俘獲力的貢獻可以接近甚至超過電偶極梯度力對光俘獲力的貢獻。我們還對瑞利模型下非磁性物