光束轨道角动量的理论研究和光镊分选细胞的实验研究

摘要

光镊又称单光束梯度力阱，是由高度会聚的激光束形成的，可以捕获从几纳米到几十微米的生物大分子微粒、细胞器等，并在不影响周围环境的情况下对捕获物进行非接触性、无损伤的活体操作。光致旋转可实现对微粒的角向操纵，这是在光镊对微粒的三维操作基础上又增加了一维角向的操纵，光束的轨道角动量已成为目前的研究热点。
　　课题的内容包括光镊及光致旋转的原理，光镊对毛细管中的生物细胞的微操纵与光阱力的测量，利用光镊精确分选酵母菌细胞，光束的轨道角动量理论及高斯涡旋光束的轨道角动量密度的模拟。
　　论文首先从电磁场理论出发推导了一般光束的轨道角动量密度的公式，利用高斯涡旋光束的电场强度公式并结合推导出的轨道角动量密度公式得到了高斯涡旋光束的轨道角动量密度的表达式，运用MATLAB程序模拟了高斯涡旋光束的光场分布及其轨道角动量密度分布。为高斯涡旋光束的轨道角动量应用于光学微操控领域做了前期理论分析工作。
　　其次，利用已搭建的光镊实验平台进行了毛细管中生物细胞的光学微操纵实验研究，根据实验得出的数据，利用流体力学方法计算了酵母菌细胞的光阱力大小。
　　最后，在光学微操纵的基础上设计了光镊精确分选生物细胞的实验，并且在光镊实验平台上，成功地分选出了目标细胞。

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第1章 绪论

1.1 本课题的背景及意义

1.2 光镊技术的发展及研究现状

1.3 光致旋转技术的发展及研究现状

1.4 课题来源及主要内容

第2章 光镊及光致旋转原理概述

2.1 光镊的原理

2.2 光阱力的理论计算与实验测量

2.3 光致旋转原理

2.4 本章小结

第3章 生物细胞的光微操纵

3.1 光镊实验平台

3.2 毛细管中生物细胞的光微操纵实验研究

3.3 利用光镊精确分选酵母菌细胞

3.4 本章小结

第4章 高斯涡旋光束的光场和轨道角动量密度分布的理论研究

4.1 概述

4.2 轨道角动量密度的电磁场理论

4.3 高斯涡旋光束的光场分布

4.4 高斯涡旋光束的轨道角动量密度及其分布

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

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