激光光阱力數(shù)值計(jì)算及光鑷系統(tǒng)儀器化方案研究.pdf

1、以激光微束輻射壓力為基礎(chǔ)的光鑷是生物技術(shù)、納米技術(shù)等微操縱研究領(lǐng)域中的一種新的工具。高度會(huì)聚的激光微束所產(chǎn)生的梯度力可以將大小從納米到微米的電介質(zhì)微粒穩(wěn)定地捕獲于其焦點(diǎn)附近，如同一把無形的機(jī)械鑷子，能夠?qū)崿F(xiàn)對活體細(xì)胞及微粒的亞接觸無損傷的捕獲與操作。光鑷的出現(xiàn)適應(yīng)了生命科學(xué)深入到細(xì)胞、亞細(xì)胞層次的研究趨勢，為生物技術(shù)研究提供了一種新的實(shí)驗(yàn)操縱手段。隨著納米技術(shù)和生命科學(xué)的發(fā)展，光鑷技術(shù)必將在其相關(guān)研究領(lǐng)域起到越來越重要的作用。

2、光鑷技術(shù)基于激光微束的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，即借助于高聚焦激光光束產(chǎn)生的梯度力實(shí)現(xiàn)對微粒的捕獲的。激光與微粒之間相互作用機(jī)理非常復(fù)雜，這種相互作用既與激光的波長、強(qiáng)度分布、聚焦束腰大小有關(guān)，也與微粒的大小、形狀、相對折射率、吸收率和周圍介質(zhì)特性有關(guān)。目前基本上可以較好分析光鑷光阱力的理論模型主要有兩種，即幾何光學(xué)模型和電磁波模型。本文在對計(jì)算模型加以改進(jìn)的基礎(chǔ)上，對光阱力進(jìn)行了數(shù)值分析。 本論文研究內(nèi)容包括光鑷的基本原理、光阱力的數(shù)值計(jì)算

3、和單光阱光鑷系統(tǒng)組建方案三個(gè)方面。在光阱力的數(shù)值計(jì)算中，基于幾何光學(xué)追跡原理，具體考慮了激光微束的具體結(jié)構(gòu)對光阱力的影響，在給定實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下，對幾何尺寸遠(yuǎn)大于光波波長的米氏球狀粒子所受z軸和y軸方向的光阱力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并討論了實(shí)驗(yàn)參數(shù)對光阱力的影響。計(jì)算表明：相對折射率對微粒的穩(wěn)定捕獲有重要影響，相對折射率大于1是微粒能夠被捕獲的基本條件，在最佳相對折射率的情況下粒子具有最大的光學(xué)捕獲力；聚焦的激光束腰越小，勢阱越深，微粒的捕獲穩(wěn)

4、定性越強(qiáng)，束腰增大勢阱變淺，微粒的捕獲穩(wěn)定性變?nèi)?。?jì)算還表明，吸收對光阱力也有較大的影響，當(dāng)微粒吸收率比較大時(shí)不會(huì)產(chǎn)生光學(xué)梯度力勢阱；另外，捕獲力隨著激光功率的增大也增大；激光波長和微粒大小對穩(wěn)定捕獲也有一定影響。對幾何尺寸遠(yuǎn)小于光波波長的瑞利球狀粒子，基于電磁場理論對光阱力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，對于瑞利粒子來說，影響其捕獲穩(wěn)定性的因素主要有激光波長、相對折射率和激光聚焦束腰等，適當(dāng)選取實(shí)驗(yàn)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對其穩(wěn)定捕獲。在光鑷系統(tǒng)組建方面，介紹了