微粒在高斯光束聚焦场中的受力与运动

摘要

自Ashkin在实验上观测到聚焦光束对微粒的捕获现象以来，光镊技术得到了巨大的发展，被广泛运用在物理，化学以及生命科学等领域，尤其在生物领域，可以利用光镊技术来操纵具有复杂结构生物微粒。现如今，在理论上已发展出了多种用于计算微粒受力的方法，其中T矩阵方法作为一种高效的数值计算方法受到了很多关注，它可以用来计算具有任意形状的多层粒子受到的辐射力。本文介绍了T矩阵原理，计算了平面波、高斯光束以及一阶矢量贝塞尔高斯光束对双层球形粒子的捕获效率，分析了微粒在光场中的运动，并进行了相关实验。 文章首先介绍了光镊技术的背景以及其在结构、应用、理论等方面的发展现状，着重介绍了几种计算粒子受力的计算模型。在原理部分，本文由零场方程出发详细介绍了利用T矩阵方法计算单层粒子与双层粒子的原理，并且介绍了用于计算聚焦场的矢量衍射积分方法以及计算粒子受力的麦克斯韦应力张量积分方法。 在理论方面，本文得到了用于计算双层球形粒子T矩阵的详细表达式，可以由其推广到任意多层球形粒子；当平面波、高斯光束以及一阶矢量贝塞尔高斯光束作为捕获光源时，本文给出了入射场的展开系数的计算公式；分别计算了双层球形粒子在三种光束聚焦场的不同位置的捕获效率。结果表明，平面波和高斯光束入射时，对于内层折射率小于外层的粒子，可能在焦点前后分别形成一个稳定平衡点和一个不稳定平衡点；平面波、高斯光束和矢量光束对于空心粒子（内层折射率为1）的捕获效果依次减弱；此外，内层折射率和尺寸都会影响捕获效率的大小，随着内层折射率增加，捕获效率先增加然后慢慢减小到0，空心粒子的内层尺寸增加时，捕获效率逐渐减小到0。 在实验方面，本文分别测量了氢氟酸（HF）对光纤包层和纤芯的腐蚀速率；制备了具有双锥角的探针，实验过程中封闭液的种类会影响一次锥角大小，而腐蚀时间和HF浓度会影响二次锥角的大小；本文还搭建了光镊捕获系统，并进行了酵母菌的捕获、操纵与逃逸实验，粗略测量了探针对酵母菌的捕获力大小，并与理论结果进行了对比分析，发现实验的结果要小于理论结果。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外的研究现状

1.3 光作用力分析

1.4 研究内容与章节安排

第2章 T矩阵方法分析微粒受力

2.1 T矩阵方法

2.2 多层任意粒子的T矩阵

2.3 矢量衍射积分

2.4 Maxwell应力张量积分

2.5 本章小结

第3章 双层粒子受力计算与分析

3.1 双层球形粒子的T矩阵

3.2 平面波对粒子的作用力

3.3 高斯光束对粒子的作用力

3.4 矢量光束对粒子的作用力

3.5 本章小结

第4章 光镊制备与微粒捕获实验

4.1 光镊的制备

4.2 光纤探针腐蚀实验

4.3 酵母菌捕获实验

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读研究生期间发表的论文