多体系统和复杂微器件的光驱动研究

论文摘要

光镊技术作为一种全新的微操作手段,已经由于其无接触、无摩擦和无需导线等优点,被广泛应用于生物学、微量化学和微机电系统等多个研究领域。本论文结合国家自然基金重点项目(No.50335050)和863项目(No.2006AA042311)的主要研究内容,对于单光束光镊操纵多目标和复杂形貌微转子的光驱动进行了理论和实验研究,同时还进行了新型的光纤光镊操作系统的初步试验研究。本论文的主要成果如下:1.针对多个对象系统和微转子的复杂性,基于光的电磁理论给出了矩量模型和时域有限差分模型,并且总结了一整套分析计算步骤。2.利用矩量模型和时域有限差分模型,结合高斯激光束的传输特性,对万字形微转子在光阱中所受光学力和光学力矩进行理论建模,并利用Matlab进行计算仿真。计算结果和实验符合较好,为微型转子的设计和光学驱动实验的进一步优化提供了理论依据。3.自行搭建了一套光纤光镊系统,并利用这套系统成功进行了单个微球的捕获实验研究。多目标复杂系统的光操纵为光镊自动操控设计中一个重要的内容,涉及微粒移动路径的宽度的控制,而微转子的光驱动为MEMS领域中无损伤驱动提供了一种有效手段,本文研究成果为光镊技术和该领域研究工作的深入发展打下了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 微机电系统与光学微机电系统
• 1.1.1 微机电系统（MEMS）的研究背景
• 1.1.2 微机电系统的研究现状
• 1.1.3 光学微机电系统（MOEMS）的研究背景及现状
• 1.2 常用的MEMS微驱动技术
• 1.2.1 静电力驱动
• 1.2.2 压电驱动
• 1.2.3 电磁力驱动
• 1.2.4 形状记忆合金驱动
• 1.2.5 热驱动
• 1.2.6 其他驱动方式
• 1.3 光驱动技术
• 1.3.1 光辐射压力
• 1.3.2 光镊技术的产生和发展
• 1.3.3 光镊技术的研究现状
• 1.3.3.1 常规光镊
• 1.3.3.2 光纤光镊
• 1.3.3.3 全息光镊
• 1.3.3.4 纳米光镊
• 1.3.4 光驱动理论发展和研究现状
• 1.4 本论文的研究意义和主要研究内容
• 1.4.1 本论文的研究意义
• 1.4.2 本论文的主要研究内容
• 第二章 光镊的理论原理
• 2.1 光镊的几何光学模型
• 2.1.1 光镊的几何光学基本原理
• 2.1.2 不同形式的光束对光镊工作效果的影响
• 2.1.3 不同聚焦点对光镊的影响
• 2.1.4 几何光学模型下光压的分析
• 2.1.5 光镊的几何光学计算模型
• 2.2 光镊的电磁波模型
• 2.2.1 基于时域有限差法（FDTD）的光镊电磁波模型
• 2.2.1.1 FDTD的电磁场的时间推进计算公式
• 2.2.1.2 FDTD的吸收边界条件
• 2.2.1.3 FDTD的数值稳定性要求
• 2.2.1.3.1 时间离散间隔的稳定性要求
• 2.2.1.3.2 Courant稳定性条件
• 2.2.1.4 运用FDTD电磁波模型对光镊力进行分析的主要步骤
• 2.2.2 基于矩量法（MoM）的光镊电磁波模型
• 2.2.2.1 MoM的均匀介质体散射问题积分方程的建立
• 2.2.2.2 MoM的离散化模式
• 2.2.2.3 MoM的基函数和试函数的选取
• 2.2.2.4 MoM的均匀介质体散射场的离散积分方程
• 2.2.3 运用MoM电磁波模型对光镊力进行分析的主要步骤
• 第三章 光镊的实验研究和分析
• 3.1 光捕获微球的试验系统
• 3.2 光捕获微球试验
• 3.3 光驱动微转子的试验系统搭建
• 3.3.1 光镊系统总体结构
• 3.3.2 光镊系统部分部件的选择
• 3.4 用于光驱动的微器件的设计加工和实验过程
• 3.4.1 微器件材料的选择
• 3.4.2 微器件的设计
• 3.4.3 微器件的加工和光驱动实验过程
• 3.5 光驱动微转子的实验结果
• 3.6 光驱动微转子的理论分析
• 3.6.1 万字型转子的光力矩分析
• 3.6.2 基于万字型转子的改进型转子光力矩分析
• 第四章 光纤光镊系统的搭建和试验研究
• 4.1 光纤原理
• 4.1.1 光纤类型
• 4.1.2 光纤的数值孔径
• 4.2 光纤光镊系统的搭建
• 4.3 光纤光镊捕获微球试验
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文的主要成果
• 5.2 研究工作的创新之处
• 5.3 论文工作的展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢