基于光泳力的光镊系统研究

摘要

光镊是从上个世纪70年代发展起来的一种新型微操控技术，主要是利用光与物质相互作用产生的力来操纵微观物质的，属于非接触式操控。由于它具有精度高，结构简单的特点，经过40年的发展，已经广泛的应用在了物理，化学，生物，材料等众多领域。光镊技术主要可以分为两类:一类基于辐射压和梯度力，这类光镊技术能够对高折射率微粒和反光性微粒进行操控，已经用于对生物细胞，细胞器，生物大分子，胶体颗粒和纳米金属颗粒等的研究中;另一类基于光泳力，能够对气体介质中的强吸光性微粒进行操控，最近几年逐渐得到了研究者的重视。基于光泳力的光镊技术作为一种可以操控气体中微粒的微操控手段，在研究大气科学中气溶胶的动态行为和行星科学中尘埃的运动规律方面有着重要的应用。本文对基于光泳力的光镊技术开展了一系列研究。
　　本文首先设计了一种弱聚焦的圆孔衍射光阱，提出了利用该光场捕获吸光性微粒的可行性。搭建了光镊系统，对光场强度分布进行了验证性测量。我们利用该系统实现了空气中非规则形状的吸光性微粒绕光轴的旋转并且对微粒旋转的成因进行了定性分析。在实验中通过改变激光功率，成功地对粒子的旋转频率进行了周期性调控。实现了多个粒子在垂直于光轴的不同平面内同时旋转，并对旋转的多个微粒进行了整体的三维移动。可以让多个粒子同时以不同直径旋转，粒子的旋转直径最大可达700微米。利用不同形状光阑实现微粒沿不同的轨迹运动。
　　其次，利用单光束光镊实现了对大量微粒的捕获，分析了微粒在不同激光功率下的动态行为。实验中还比较了不同类型的微粒在光场中的分布特点。为了在轴向上强化对微粒的约束以实现微粒的团聚，重新搭建了双光束光镊装置，在实现了微粒团聚的同时观察到了粒子微团在双光束汇聚相交处的旋转。
　　本文还基于液晶空间光调制器搭建并优化了全息光镊系统，并实验比较了入射光偏振方向变化时空间光调制器的相位调制效果。采用相息图实现了涡旋光束并且利用不同拓扑荷的涡旋光束实现了对多个吸光性微粒的捕获。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 光镊技术简介

1．2 基于辐射压和梯度力的光镊技术

1．2．1 原理与特点

1．2．2 理论模型

1．2．3 在生物学中的应用

1．2．4 在胶体体系研究中的应用

1．3 基于光泳力的光镊技术

1．3．1 原理与特点

1．3．2 研究进展

1．4 全息光镊技术

1．5 论文的主要内容

第2章 锥环状光阱中微粒旋转的研究

2．1 引言

2．2 锥环状光阱的设计

2．2．1 光场模拟

2．2．2 光场的实验测定

2．3 微粒受力分析

2．4 光镊实验装置

2．5 单粒子旋转的操控

2．5．1 单粒子旋转周期的调控

2．5．2 实验数据处理

2．6 多粒子旋转的操控

2．6．1 多粒子移动

2．6．2 多粒子以不同半径旋转

2．6．3 双粒子的联动现象

2．7 其他现象及分析

2．7．1 粒子在不同环之间的跳转

2．7．2 光阑孔径对旋转微粒位置的影响

2．7．3 光阑形状对微粒旋转的影响

2．7．4 垂直光束中微粒的旋转

2．8 本章小结

第3章 锥环状光阱对大量微粒的捕捉

3．1 引言

3．2 单光束对大量微粒的固定

3．3 双光束对碳粉微粒的固定

3．4 本章总结

第4章 全息光镊捕获多个微粒

4．1 引言

4．2 涡旋光束捕获吸光性微粒

4．2．1 空间光调制器简介

4．2．2 相息图的设计

4．2．3 光镊系统的搭建

4．2．4 微粒的捕获

4．3 本章小结

第5章 总结与展望

参考文献

致谢

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