倏逝波光阱中多微球動力學理論和實驗研究.pdf

1、光與分散體系中分散相微粒的相互作用包含著能量和動量的傳遞。光阱技術(shù)可以限制微粒運動的特性使得人們可以方便的觀測分散體系中單個微粒的動力學過程，這對于研究微粒的個體行為和彼此間的相互作用是非常有用的。例如光阱中存在多微球的情況，其中每個微球不僅受到來自背景光場的力作用，還受到來自其他微球散射光場和流體運動的影響。在適當?shù)臈l件下，多微球可以集聚形成各種結(jié)構(gòu)，即光學結(jié)合(Opitcal binding)現(xiàn)象。盡管光阱中單微粒的力學特性已經(jīng)被廣

2、泛研究，但人們往往容易忽視多微粒散射光的力學效應，因而對多微球動力學的定量研究顯得比較粗糙；同時倏逝波光阱作為二維光阱，為光學結(jié)合現(xiàn)象提供了天然的載體，尚沒有對緊密結(jié)構(gòu)中微球行為特性的定量研究。對這些現(xiàn)象的觀測和研究，可以幫助人們更加全面的認識光力作用和拓展新的應用?；谶@些需求，本文觀測了倏逝波光阱中多微球在光力作用下集聚形成小間隔的一維和二維結(jié)構(gòu)的實驗現(xiàn)象，利用微球的位置波動定量的分析了單體微球和一維微球鏈的動力學特性。主要研究工作

3、包括以下幾個方面：
　　1.單微球布朗動力學仿真。比較了常用的光阱剛度標定方法，指出均方位移法和玻爾茲曼法都不需要微球在流體中的粘度信息，這種特性有助于近平面倏逝波光阱剛度的標定。利用蒙特卡洛法和有限元法分別通過位置和速度迭代方式仿真了流體中單微球在受限布朗運動影響下的位置波動，比較了它們的特點，介紹了速度相關(guān)記憶時間和位置相關(guān)記憶時間的概念。通過仿真結(jié)果求解剛度發(fā)現(xiàn)二者的誤差相當，但位置迭代方式計算時間顯著縮短了3~4個量級。在

4、仿真中發(fā)現(xiàn)當光阱中兩個正交方向上剛度差異較大時，二維坐標系的選取可以對微球位置波動相關(guān)函數(shù)造成顯著的影響。最后仿真了微球在外力矩作用下轉(zhuǎn)動并受到布朗運動影響的位置波動，分析了三種情況下微球位置波動相關(guān)函數(shù)的特性，即轉(zhuǎn)動位移占主要因素的情況、布朗位移占主要因素的情況和介于二者之間的情況，這種相關(guān)函數(shù)的分析提供了一種測量微球轉(zhuǎn)動信息的方法。
　　2.倏逝波光阱系統(tǒng)。搭建了雙光束倏逝波光阱系統(tǒng)，觀測到直徑1umSiO2的微球形成一維鏈式

5、結(jié)構(gòu)的實驗現(xiàn)象；搭建了四光束倏逝波光阱系統(tǒng)，觀測到直徑1umSiO2的微球形成二維結(jié)構(gòu)的實驗現(xiàn)象。
　　3.多微球位置同時探測算法的實現(xiàn)。描述了顯微鏡物鏡衍射成像的特點，仿真了設(shè)定信噪比下點源在圖像傳感器中所成的數(shù)字圖像。比較了單微球位置探測常用的圖像分析算法，根據(jù)觀察的微球鏈的運動特性，改進了現(xiàn)有的極值中心法，在取得同等探測精度的前提下大幅縮短了探測時間，為后續(xù)實驗中多微球位置的探測奠定了基礎(chǔ)。
　　4.一維結(jié)構(gòu)中單體微球

6、動力學特性的研究。在雙光束倏逝波光阱中，直徑1 um的SiO2微球在光力作用下形成間隔緊密的一維微球鏈。在得到微球的位置波動后，分析了不同條件下微球平均間隔的差異；將每個微球看作處于各自的勢阱中，這些勢阱的剛度可以通過球-彈簧模型中各微球間連接彈簧的彈性系數(shù)來獲得。在不同條件下分別計算了鏈式結(jié)構(gòu)中連接彈簧的彈性系數(shù)，并首次從實驗中定量地確定了它與激光功率和結(jié)構(gòu)中微球數(shù)量之間的線性關(guān)系。依據(jù)這種線性關(guān)系推算了微球形成穩(wěn)定鏈式結(jié)構(gòu)所需的閾值

7、功率，和實驗中所觀察的現(xiàn)象相符合。
　　5.一維微球鏈整體動力學特性研究。比較了微球鏈和聚合物分子鏈的共同點和不同點，詳細介紹了聚合物分子鏈基本的動力學模型：Ro use模型和Zimm模型。由于同時求解微球鏈中多個微球的運動方程存在很大的困難，因此在單個微球位置波動的基礎(chǔ)上，采用彼此獨立的模式將其組合以描述微球鏈的運動特性。建立了一般化的微球運動方程，介紹了描述微球間流體運動相互影響的張量。將遷移矩陣特征化得到微球鏈運動狀態(tài)的本征

8、模式，并通過已知 Ro use模型和 Zimm模型的仿真驗證了其有效性。利用矩陣特征化方法求解了實際微球鏈的本征模式，并探索了本征模式自相關(guān)函數(shù)衰減時間的特性。
　　6.二維結(jié)構(gòu)中單體微球動力學特性的研究。在四光束倏逝波光阱中記錄了微球在布朗運動作用下的位置波動，并驗證了方形“晶格”結(jié)構(gòu)。變換坐標系和去掉單元結(jié)構(gòu)質(zhì)心位置波動后，展示了微球相對位置波動的分布特性。根據(jù)其方差計算了各微球所處光阱的剛度，結(jié)果證實了微球單元結(jié)構(gòu)中各微球受