米氏粒子在光纤隐逝场中的受力与运动

摘要

基于隐逝场的近场光镊能以亚接触的方式实现对粒子的捕获，已在生物学、医学以及物理学等众多领域得到了广泛运用。而光纤隐逝场光镊又以极强的空间灵活性，极低的插入损耗以及较高的驱动效率等特性受到研究者们的广泛关注。本文围绕着光纤探针型隐逝场光镊和微纳光纤型隐逝场光镊展开深入的研究。
　　本文首先介绍了光镊的研究背景以及近年来的发展状况，主要介绍了几种不同类型的近场光镊，并通过对比说明了光纤隐逝场光镊的特点。同时，本文从光的辐射压力出发介绍了光镊的基本原理以及粒子主要受到的散射力和梯度力。根据粒子尺寸的大小，本文介绍了分析各类粒子受力时采用的模型和计算方法，主要介绍了分析米氏粒子受力时采用的射线模型。
　　在模拟分析部分，本文先采用有限元法对光纤探针隐逝场的分布进行建模求解，并分析了不同锥角（包括一次锥角和二次锥角）的光纤探针对同一尺寸的粒子的捕获以及不同尺寸的粒子在同一锥角的光纤探针隐逝场中的受力，得到了能使粒子在轴向上受力达到最大时的最佳双锥角的角度。对于米氏粒子在微纳光纤隐逝场中的受力与运动部分，本文从波动理论出发，先计算光纤隐逝场的分布；再根据射线法建立米氏小球在隐逝场中受力的模型，计算了小球所受到的散射力，梯度力以及速度等，并讨论了小球与光纤间的距离，小球的半径，微纳光纤的半径对小球受力的影响，从而得到了捕获和操纵粒子时光纤半径的最优值。
　　在实验部分，本文分别采用静态腐蚀法和熔拉法制备光纤探针和微纳光纤，使用的光纤均是入射波长为980nm的单模光纤。在光纤探针制备部分，本文在测试了光纤纤芯和包层腐蚀速率的基础上分析了双锥角的光纤探针制备受实验温度，腐蚀时间，氢氟酸浓度以及封闭液种类的影响，进而得到了双锥角光纤探针的最佳制备方案。最后，本文分别搭建了光纤探针隐逝场光镊与微纳光纤隐逝场光镊对酵母菌捕获和操纵系统，并利用光纤探针光镊系统实现了对酵母菌的稳定捕获，为光纤光镊在生物领域的应用做了良好的铺垫。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3远场光镊

1.4近场光镊

1.5本文主要工作及内容安排

第2章 光镊的基本原理

2.1光的辐射压力

2.2散射力和梯度力

2.3光作用力的计算

2.4本章小结

第3章 米氏粒子在两种光纤隐逝场中受力与运动的模拟分析

3.1隐逝场

3.2粒子在光纤探针隐逝场中的受力与运动

3.3粒子在微纳光纤隐逝场中的受力与运动

3.4本章小结

第4章 光纤光镊对酵母菌的捕获实验

4.1光纤探针的制备理论

4.2光纤探针的制备实验

4.3微纳光纤光镊系统

4.4本章小结

第5章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

致谢

参考文献

攻读研究生期间发表的论文