光纤光镊的捕获特性与振动传感特性研究

论文摘要

随着光镊技术在微观领域中的广泛应用,人们对光镊系统的要求也在不断提升,将光纤引入光镊系统,其轻便、灵活的特点大幅度提升了光镊系统操作的自由度与灵活度,光纤光镊会成为研究细胞生命活动的基本规律和微小力学传感测量的重要工具。本课题研究的是光纤光镊的捕获特性与振动传感特性：利用两种不同端面结构的光纤分别实现光镊的多粒子捕获和振动传感测量。对于光纤光镊的光捕获系统,先根据光镊技术的基本原理,设计构造锥形光纤端面,然后采用基于电磁场动量守恒定律和时域有限差分的分析方法,研究在改变捕获粒子数量、光纤端面锥角大小、微粒半径和折射率等参数情况下,锥形端面光纤捕获出射光场光阱力的特性。在实验中,利用锥形端面光纤光镊实现对酵母细胞的多次捕获与转移,并用锥形端面光纤光镊实验标定光镊出射光场中光阱力的变化趋势。对于光纤光镊的振动传感系统,先依据光捕获原理设计微光纤振动传感器的基本结构,并采用惯性受迫振动原理分析此结构的力学特性,得到微光纤振动传感器的幅频特性与相频特性曲线。根据分析优化传感器结构,设计光纤端面结构,研究光纤端面的制作方法和微光纤振动传感器的加工工艺,并通过分析振动传感实验结果,验证了此种基于光捕获原理的微光纤传感器适用于振动传感测量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 光镊技术概述
• 1.2 光镊技术的发展
• 1.3 光阱力的测量方法
• 1.4 光镊用于物理量的测量
• 1.5 本课题的研究目的和内容
• 第2章 光镊的理论基础
• 2.1 光镊原理概述
• 2.2 光阱力的计算方法
• 2.2.1 Mie粒子
• 2.2.2 Rayleigh粒子
• 2.2.3 介于Mie粒子与Rayleigh粒子之间的粒子
• 2.3 基于动量守恒原理的光阱力计算方法
• 2.3.1 电磁场动量守恒定律
• 2.3.2 结合时域有限差分法（FDTD）和电磁场动量守恒定律的仿真
• 2.4 本章小结
• 第3章 单光纤光镊的捕获特性分析及实验研究
• 3.1 锥形单光纤光镊结构模型
• 3.2 单光纤光镊出射光场的力学特性
• 3.2.1 锥型单光纤光镊捕获单粒子研究
• 3.2.2 锥型单光纤光镊捕获双粒子研究
• 3.2.3 锥型单光纤光镊捕获多粒子分析
• 3.3 光纤光镊系统实验设备
• 3.4 光纤光镊捕获特性的实验研究
• 3.4.1 单光纤光镊的多次捕获实验
• 3.4.2 光纤光镊的标定实验
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于光捕获原理的光纤振动传感器设计
• 4.1 微光纤振动传感器的基本结构及原理
• 4.2 微光纤振动传感器的力学特性分析
• 4.3 微光纤振动传感器的结构设计
• 4.4 微光纤振动传感器的系统结构
• 4.4.1 激光器光源
• 4.4.2 光纤光路耦合与光功率监测
• 4.4.3 光纤的选取
• 4.5 本章小结
• 第5章 微光纤振动传感器的特性实验
• 5.1 微光纤振动传感器制作方法
• 5.1.1 光纤尖的制备方法
• 5.1.2 微光纤振动传感器的制作系统
• 5.1.3 微光纤振动传感器的制作流程
• 5.2 微光纤振动传感器实验系统的搭建
• 5.3 微光纤振动传感器实验及结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢