【摘要】：基于光輻射力的光鑷技術(shù)是利用光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的光勢阱效應(yīng),在微納尺度上操縱微粒和進行微小力學(xué)測量的一門技術(shù)。目前,光鑷技術(shù)具有納米級位移和飛牛量級的測量精度,廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、膠體科學(xué)以及納米材料科學(xué)等領(lǐng)域。隨著技術(shù)創(chuàng)新和科學(xué)進步,傳統(tǒng)高斯光束光鑷已經(jīng)不能滿足研究者的需求,理論和實驗證明特殊光場光鑷不僅可以實現(xiàn)特殊情況下的微粒操控,并具有傳統(tǒng)高斯光束光鑷不具備的優(yōu)異性能。奇點光束含有特殊的光場分布,擁有許多獨特性質(zhì)。因此,研究聚焦奇點光束對微粒的輻射力具有重要意義。本文選取高斯謝爾模型(Gaussian Schell-model,GSM)渦旋光束、部分相干圓刃型位錯光束、部分相干修正貝塞爾高斯(Modified Bessel-Gaussian,MBG)光束和矩形列陣渦旋光束為研究對象,分析了這四種奇點光束對折射率不同的兩種瑞利微粒的輻射力及其俘獲情況。主要工作包括以下四部分:基于廣義惠更斯-菲涅耳原理和瑞利散射理論,推導(dǎo)出GSM渦旋光束經(jīng)過一個聚焦光學(xué)系統(tǒng)后的光強解析表達式,研究了聚焦GSM渦旋光束對高折射率和低折射率兩種瑞利微粒的輻射力,并分析了俘獲穩(wěn)定性。研究表明,聚焦GSM非渦旋光束在焦平面上只能俘獲高折射率粒子,不能俘獲低折射率粒子。聚焦GSM渦旋光束可以在焦平面上亮環(huán)處俘獲高折射率粒子,同時可以將低折射率粒子俘獲到z軸。此外,拓?fù)浜珊涂臻g相關(guān)長度值越大,聚焦GSM渦旋光束俘獲兩種粒子越容易。推導(dǎo)出部分相干圓刃型位錯光束經(jīng)過ABCD聚焦光學(xué)系統(tǒng)后的光強解析表達式,用以研究聚焦部分相干圓刃型位錯光束對折射率不同的兩種瑞利微粒的俘獲情況,具體討論了圓刃型位錯的數(shù)目、空間相關(guān)長度、相對折射率和粒子半徑對輻射力的影響。研究發(fā)現(xiàn),聚焦部分相干圓刃型位錯光束在焦點和亮環(huán)處可以捕獲高折射率粒子,同時在暗環(huán)處可以俘獲低折射率粒子。圓刃型位錯的數(shù)目越多、空間相關(guān)長度越大,在焦點處俘獲高折射率粒子和在暗環(huán)處俘獲低折射率粒子越容易。此外確定了穩(wěn)定俘獲情況下兩種類型瑞利微粒的半徑范圍。研究了聚焦部分相干MBG光束對兩種瑞利電介質(zhì)球的輻射力,具體分析了拓?fù)浜珊凸庾V相干度對輻射力的影響。數(shù)值研究結(jié)果表明,聚焦部分相干MBG光束的拓?fù)浜蒻等于零時,可以在焦點處俘獲高折射率粒子,但不能捕獲低折射率粒子。聚焦部分相干MBG光束的拓?fù)浜蒻不為零時,不僅在焦平面上的亮環(huán)處能捕獲高折射率微粒,同時可以將低折射率粒子俘獲到z軸;隨著拓?fù)浜芍档脑龃?梯度力減小,對微粒的橫向俘獲范圍增大。此外,光譜相干度的值越大,聚焦部分相干MBG光束(m≠0)俘獲兩種類型粒子越容易�；谙喔莎B加和非相干疊加模式,推導(dǎo)出聚焦矩形列陣高斯謝爾模型(rectangular array Gaussian Schell-model,RAGSM)渦旋光束光強的解析表達式,研究了矩形列陣多光阱系統(tǒng)對多個低折射率粒子的俘獲,分析了疊加方式對俘獲穩(wěn)定性和軸向捕獲范圍的影響。研究表明,聚焦RAGSM渦旋光束在輸出面上可以呈矩形陣列分布的俘獲多個低折射率粒子,其中中心的子光束可以二維(x-y平面)捕獲周圍區(qū)域的粒子,其它子光束可以三維捕獲相應(yīng)區(qū)域的微粒。且非相干疊加RAGSM渦旋光束對微粒的軸向俘獲范圍要比相干疊加模式的大。
【圖文】：

(a)折射光產(chǎn)生橫向梯度力，(b)折射光產(chǎn)生軸向梯度力，(c)反力，(d)微粒尺寸很小時，微粒受到沿光場強度梯度方向的偶極力atic diagram of optical tweezers. (a) Transverse gradient force produced byient force produced by refraction light, (c) scattering force produced by refle particles is very small, and the particles are subjected to dipole forces alongintensity gradient術(shù)誕生起，光鑷就成為了捕獲操控電介質(zhì)小球[3-5]、中性原子粒[9]、生物細(xì)胞和生物分子[10-13]等微粒的重要工具，并且滲透納米材料科學(xué)等領(lǐng)域。例如通過光鑷直接操控微米量級微粒，、測量細(xì)胞膜的彈性[15,16]、操控活體內(nèi)血紅細(xì)胞[17]以及測量微控微粒作為手柄小球能在單分子層次上研究驅(qū)動蛋白的運動機蛋白質(zhì)的折疊過程[21]等；通過光鑷直接操控納米微粒，能進行金屬納米顆粒的表面增強拉曼效應(yīng)[23]等。在推動其他領(lǐng)域研究進步的同時，，其本身也在不斷發(fā)展。光鑷

圖 1.2 光鑷技術(shù)操控活體動物內(nèi)的紅細(xì)胞[17]Fig. 1.2 Manipulation of the red blood cells in living animals技術(shù)與原子力顯微鏡等微觀探測技術(shù)相結(jié)合，促進生命科學(xué)領(lǐng)域到了單分子層面，例如Svoboda及其合作者利用光鑷-雙光束干涉的動力學(xué)特性[59]。Zhang等人將光鑷和微針相結(jié)合研究了vWF蛋，實現(xiàn)了對單個蛋白分子的操控并實時觀測其細(xì)微的結(jié)構(gòu)變化[21]
【學(xué)位授予單位】：太原科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O436

【參考文獻】

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本文編號：2612765