光镊应用于介观体系粒子的理论研究

论文摘要

光镊技术是以激光微束的光阱效应为基础的,于二十世纪七十年代开始研究。高度聚焦的激光微束所形成的梯度力可以弹性地捕获从几纳米到几十微米的生物或其他大分子微粒、细胞器等,由于光镊可实现生物活体样品的非实体接触无损伤操纵,光镊技术已成为当前生物物理学中新方法和新仪器的研究热点之一。论文较系统的研究了介观体系粒子所受光阱力的情况。使用德拜积分公式作为有效的表达方式,对光阱中介观体系粒子所受到的力进行了定量计算和数值仿真分析,并与现有的几何光学理论模型作了详细的比较。论文首先阐述了光镊技术的基本原理和捕陷粒子的条件;其次在光阱力的定量计算方面,论文把激光束看作是平面电磁波的重叠,建立起德拜形式的积分表达式,并结合散射理论,对介观体系中的电介质粒子所受到的光阱力进行了定量计算;再次,在实验参数条件下对粒子所受光阱力进行了数值仿真,根据数值仿真结果,讨论了微粒的相对大小、光束的束腰半径、激光功率以及激光波长等主要系统参数与光阱力的关系。并通过与已有的理论的数值结果比较,论证了这个理论对任意球状介质粒子的适用性;最后归纳和总结了纳米光镊技术的发展,详细的叙述了一些先进组合技术在改进光镊装置构造、操作精度以及校准方面的应用,在此基础上提出了一些构想和建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国外光镊技术的发展与研究现状
• 1.2.1 光镊技术的产生与发展
• 1.2.2 光镊技术的研究现状
• 1.2.3 光镊技术的理论研究概述
• 1.2.4 光镊技术的应用
• 1.3 国内光镊技术的研究与发展状况
• 1.4 论文研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 光镊技术及其原理概述
• 2.1 光镊的定义
• 2.2 光镊的原理
• 2.2.1 光辐射压力
• 2.2.2 光镊的梯度力和散射力
• 2.2.3 光学势阱
• 2.3 光阱力捕陷粒子的条件
• 2.4 本章小结
• 第3章 介观粒子所受光阱力的分析与公式推导
• 3.1 电磁理论模型
• 3.2 光阱力表达式的推导
• 3.2.1 德拜积分表达式
• 3.2.2 散射场的多极展开式
• 3.2.3 旋转矩阵的WKB 近似值
• 3.2.4 光阱力的公式推导
• 3.3 基于几何光学模型的光阱力的理论计算
• 3.4 本章小结
• 第4章 光阱力的数值仿真与分析比较
• 4.1 数值计算结果的仿真与分析
• 4.2 光阱力计算方法的分析与比较
• 4.2.1 ROT 模型
• 4.2.2 GLMT 模型
• 4.2.3 数值模拟及分析与比较
• 4.3 本章小结
• 第5章 纳米光镊技术发展与应用的研究
• 5.1 引言
• 5.2 光镊系统的基本结构
• 5.3 光镊系统的校准和操控
• 5.4 纳米光镊技术的特点
• 5.5 国内发展情况
• 5.6 纳米光镊方法测液体粘滞系数的理论研究
• 5.6.1 理论方法基础
• 5.6.2 光阱中粒子的动力学计算
• 5.6.3 计算结果分析
• 5.7 单个生物大分子的纳米操纵和测量体系
• 5.8 微分共焦显微镜方法探测纳米轴向位移
• 5.9 飞秒激光光镊技术
• 5.10 其他方面新的发现和应用
• 5.11 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介