光镊技术及其在光驱动微机械马达的应用研究

论文摘要

本论文研究光镊技术应用于生命科学和微机械领域,以解决微米量级的生物粒子的光微操纵以及光驱动微纳机构中的一些难题。论文主要开展了两个方面的研究工作:第一,针对光镊技术捕获、操纵生物细胞和生物大分子等工作中所需要解决的一些问题,基于激光微束作用于米氏粒子光阱力的理论计算和模拟分析,完成和建立了单光阱光镊实验系统的基本装置;第二,针对光驱动微纳机构的旋转机理和实现技术的一些问题,研究了基于光驱动双折射晶体微粒的光扭转力矩的理论计算和模拟分析,完成并建立了光致旋转实验系统的基本装置,进一步提出并设计了双光阱法驱动微机械马达的实验系统。细胞是生命结构和功能的基本单位,光镊在微米范围内操纵微粒具有精确定位、可选择单个微粒的特点,它可实现对生物活体样品非接触无损伤的操纵。光镊所产生的皮牛顿量级的力正适合于生物细胞、亚细胞层次结构的研究。本文针对这些问题研究了以下内容:对不同尺寸的微粒受到的光阱力采用不同的理论模型进行了计算。当微粒尺寸远大于光波长时(这种微粒称为Mie氏粒子或米氏粒子),采用射线光学模型来计算米氏球状粒子的轴向光阱力和横向光阱力;在介观尺度范围内,采用电磁模型以德拜积分表达式来推导介观粒子所受光阱力。采用MATLAB软件对激光微束强发散光场中和焦点附近强会聚光场中米氏球状粒子所受的轴向光阱力和横向光阱力进行了数值模拟。根据模拟结果,分析了实验系统各个参数对光阱效应的影响。依此设计了单光阱光镊实验系统和双光阱光镊实验系统,并对实验系统各个组成部分的设计依据进行了论证。根据论证结果,建立了单光阱光镊实验装置,并在此实验装置上对聚苯乙烯小球、酵母菌细胞、血红细胞及毛细管中细胞的光阱力进行了测量,验证了光阱力在皮牛顿量级。光致旋转可实现对微粒的角向操纵,用来旋转粒子的光束要具有自旋角动量或轨道角动量,而且粒子要具有双折射特性或有特殊形状。本文针对这些问题研究了以下内容:从理论上分析了偏振光束与双折射晶体微粒的相互作用过程,讨论了光束自旋角动量和轨道角动量向双折射晶体微粒的传递所导致的光致旋转效应的原理。在给定参数的条件下,对光扭转力矩进行了数值模拟。根据模拟结果,讨论了双折射晶体微粒的半径大小和光轴取向等参数对光扭转力矩的影响。依此设计了光致旋转实验装置,并在此实验装置上对两种双折射晶体微粒( CaCO 3粒子和SiO 2粒子)进行了光致旋转的实验测量,得到了两种微粒的转动频率和激光功率的关系曲线。在光镊和光致旋转实验的基础上,提出了双光阱法驱动微机械马达的设计思路。这里的双光阱是通过单光阱光镊和单模光纤光镊产生的两个光阱来实现的。该方法利用偏振光束作用在双折射晶体粒子上,光束中的圆偏振光导致了双折射晶体粒子的旋转。在这个旋转的双折射晶体粒子周围放置一个或多个齿轮状微机械转子,旋转的双折射晶体粒子带动周围液体的流动,通过移动旋转的双折射晶体粒子靠近其周围的微机械转子,从而带动了微机械转子的转动。此外还设计了几种用于光致旋转实验的单模光纤光镊实验装置和几种光制备的齿轮状的微机械转子。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 课题研究的背景
• 1.3 光镊技术的发展及研究现状
• 1.3.1 光镊技术的产生与发展
• 1.3.2 光镊技术的研究现状及应用
• 1.4 光致旋转技术的发展及研究现状
• 1.5 光纤光镊技术的发展及研究现状
• 1.6 纳米光镊技术的发展及研究现状
• 1.6.1 纳米光镊技术的产生和发展
• 1.6.2 纳米光镊实验系统设置
• 1.6.3 纳米光镊技术的研究现状
• 1.7 课题来源及本文主要研究内容
• 第2章 光镊和光致旋转原理概述
• 2.1 光镊的原理
• 2.1.1 光镊的定义
• 2.1.2 光辐射压力
• 2.1.3 光镊的梯度力和散射力
• 2.1.4 光学势阱
• 2.2 光阱力捕陷粒子的条件
• 2.3 微粒的光致旋转原理
• 2.3.1 光致旋转的原理
• 2.3.2 光致旋转的条件
• 2.4 本章小结
• 第3章 激光微束作用于粒子的光阱力及旋转力矩的理论研究
• 3.1 米氏粒子光阱力的理论计算
• 3.1.1 射线光学模型
• 3.1.2 米氏粒子轴向光阱力的理论计算
• 3.1.3 米氏粒子横向光阱力的理论计算
• 3.1.4 激光微束光强分布与光阱横向稳定性的关系
• 3.2 介观粒子光阱力的理论计算
• 3.2.1 电磁理论模型
• 3.2.2 介观粒子光阱力的理论计算
• 3.3 双折射晶体微粒旋转力矩的理论计算
• 3.3.1 光束自旋角动量引起光致旋转的理论计算
• 3.3.2 光束轨道角动量引起光致旋转的理论计算
• 3.4 本章小结
• 第4章 光阱力和旋转力矩的数值模拟与分析
• 4.1 米氏粒子轴向光阱力的数值模拟与分析
• 4.1.1 强发散光场中轴向光阱力的数值模拟与分析
• 4.1.2 强会聚光场中轴向光阱力的数值模拟与分析
• 4.2 米氏粒子横向光阱力的数值模拟与分析
• 4.3 双折射晶体微粒旋转力矩的数值模拟与分析
• 4.3.1 旋转力矩的数值模拟
• 4.3.2 旋转力矩的数值分析
• 4.4 介观粒子光阱力的数值模拟与分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 光镊实验系统的设计与光镊基本装置的建立
• 5.1 光镊实验系统的基本结构
• 5.1.1 单光阱光镊实验系统的设计和基本装置
• 5.1.2 双光阱光镊实验系统的设计
• 5.2 光致旋转实验系统的设计及基本结构
• 5.3 光纤光镊实验系统的设计
• 5.3.1 基于平端面单模光纤光镊原理及实验设计
• 5.3.2 基于半球形自透镜单模光纤光镊原理及实验设计
• 5.4 双光阱法驱动微机械马达的设计
• 5.4.1 双光阱法驱动微机械马达的设计
• 5.4.2 光制备齿轮状的微机械旋转器
• 5.5 本章小结
• 第6章 光镊及光致旋转的实验研究
• 6.1 光镊的实验研究
• 6.1.1 聚苯乙烯小球所受光阱力测量
• 6.1.2 酵母菌细胞所受光阱力测量
• 6.1.3 血红细胞所受光阱力测量
• 6.2 毛细管中酵母菌细胞的微操纵实验研究
• 6.2.1 基本实验操作步骤
• 6.2.2 毛细管中酵母菌细胞的光陷阱效应和光微操纵
• 6.2.3 毛细管中酵母菌细胞的光阱力的测量
• 6.3 光致旋转的实验研究
• 6.3.1 基本实验操作步骤
• 3和SiO₂ 的光致旋转实验研究'>6.3.2 晶体微粒CaCO₃和SiO₂的光致旋转实验研究
• 6.3.3 实验数据处理
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介