基于高斯和柱矢量光束光鑷的微納粒子光學(xué)捕獲及操控.pdf

1、光鑷是利用高度聚焦的激光微束形成的光學(xué)梯度力勢阱來實(shí)現(xiàn)對微納量級粒子的捕獲與操控的技術(shù)，它所產(chǎn)生的皮牛量級的力正好適用于操控微納量級的粒子。隨著光鑷技術(shù)的發(fā)展，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用在物理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)以及精密加工等領(lǐng)域。隨著這些領(lǐng)域的發(fā)展，人們對光學(xué)捕獲和操控的效率、范圍和精度等不斷提出新的要求。本論文就是以滿足這些新要求為目標(biāo)，對粒子的精確定向操控、角向操控，以及多粒子的集體操控和分立操控等進(jìn)行了相關(guān)研究，并引入新的捕獲光模式，優(yōu)化光鑷

2、系統(tǒng)性能。
　　聚焦光斑形狀和偏振狀態(tài)是影響粒子定向操控的主要因素，本論文通過調(diào)整聚焦光斑形狀和捕獲光偏振態(tài)實(shí)現(xiàn)了三維方向上對粒子的定向操控，尤其是對生物粒子的定向操控。圓形光斑可以操控圓柱狀粒子(生物粒子大腸桿菌和碳納米管)使其完成豎直取向，而線形光斑可以操控圓柱狀粒子使其水平取向。對于具有電學(xué)各向異性的粒子而言，如碳納米管，其在光阱中的取向還受線偏振方向的影響。通過調(diào)節(jié)線偏振方向，能夠按特定方式排列多根碳納米管，使其沉積在襯底

3、上并組裝成固定結(jié)構(gòu)。此外，利用激光攜帶能量這一特點(diǎn)，還成功地實(shí)現(xiàn)了對菲醌(PQ)的誘導(dǎo)定向生長。
　　通過引入不同捕獲光，改變捕獲光強(qiáng)度分布等方法研究捕獲光性質(zhì)對光鑷性能的影響。本論文利用液晶偏振轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了兩種具有特殊偏振和強(qiáng)度分布的柱矢量光束——方位角偏振光束和徑向偏振光束，從理論和實(shí)驗(yàn)上分析了它們的聚焦特性。方位角偏振光束聚焦后整個聚焦場都是橫向分布，軸上光強(qiáng)為零，形成中空環(huán)形光斑；而徑向偏振光束則形成實(shí)心聚焦光斑，其尺寸小

4、于一般高斯光束的聚焦光斑。將方位角偏振光束、徑向偏振光束和高斯光束作為捕獲光引入光鑷系統(tǒng)，首次搭建了捕獲模式間可互相切換的新型三模式光鑷系統(tǒng)，分別測量了三種捕獲模式下光鑷系統(tǒng)的軸向和橫向捕獲效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：徑向偏振捕獲光的軸向捕獲效率依次大于方位角偏振光束和高斯光束，而橫向捕獲效率剛好相反，高斯捕獲光帶來的橫向捕獲效率依次大于方位角偏振光束和徑向偏振光束?；诜轿唤瞧窆馐锌窄h(huán)形聚焦光斑的獨(dú)特性，利用方位角偏振捕獲光束分別實(shí)現(xiàn)了微

5、米量級金屬粒子的穩(wěn)定捕獲和對粒子位置的精細(xì)調(diào)控，擴(kuò)大了光鑷操控粒子的范圍以及控制粒子的精度，并證明了方位角偏振捕獲光的使用可以有效減少光鑷對所操控粒子的熱損傷。
　　利用光束的角動量實(shí)現(xiàn)了對粒子的角向操控，并研究了引起光致旋轉(zhuǎn)的機(jī)理及影響旋轉(zhuǎn)速度的因素。自旋角動量引起的光致旋轉(zhuǎn)可以使粒子獲得較高的轉(zhuǎn)速，通過調(diào)控激光功率可以控制粒子的旋轉(zhuǎn)速度，溶液粘滯系數(shù)和粒子的幾何尺寸也是影響旋轉(zhuǎn)速度的重要因素。而軌道角動量引起的光致旋轉(zhuǎn)則可以帶

6、動多粒子共同旋轉(zhuǎn)。隨后，我們提出了利用主動粒子帶動從動粒子旋轉(zhuǎn)和定向的新方法，并成功運(yùn)用該方法實(shí)現(xiàn)了生物粒子大腸桿菌和碳納米管的旋轉(zhuǎn)。此外，根據(jù)其中一種主動粒子 Rubrene微粒特有的熒光性質(zhì)，提出了分選和操控其他熒光微粒的構(gòu)想。
　　采用傳統(tǒng)單光阱光鑷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了微米量級和納米量級多粒子的集體捕獲和操控，其中納米粒子的聚集數(shù)量的動態(tài)變化過程是由粒子極性和熱擴(kuò)散情況決定的。此外還實(shí)現(xiàn)了多個粒子的聚集翻轉(zhuǎn)。提出利用棱鏡對生成一維光束