新型单光纤光镊捕获特性研究

论文摘要

光纤光镊以其结构简单、价格便宜、捕获范围大、可满足多种微操纵实验研究的需求等优点,比传统光镊更利于推广与工程应用,且受到人们的广泛重视。因此本课题对两种单光纤光镊系统进行了研究:新型单芯光纤光镊系统——实现多微粒同时捕获;新型双芯单光纤光镊系统——实现微粒的旋转。对于新型单芯光纤光镊系统,首先构造出了特殊的锥形光纤探针结构,然后结合电磁场动量守恒定律与时域有限差分算法(Finite Difference TimeDomain,FDTD)分析了光纤出射光场和特殊形状粒子的受力情况,分别讨论了不同光纤结构、微粒大小以及折射率条件下,这种新型单光纤光镊的捕获效应。实验中,利用该单光纤光镊实现了酵母细胞的三维捕获与移动,并且利用两路单光纤光镊实现了酵母细胞在两个光势阱间的转移与交接。该技术有利于多个粒子同时转移、微制造领域、激光细胞融合等。对于新型双芯单光纤光镊系统,同样地,首先设计出了特殊的双芯光纤探针结构,然后采用光束传播法(Beam Propagation Method,BMP)分析了其捕获原理以及光致旋转机制。实验中,利用该单光纤光镊成功实现了酵母细胞的三维捕获和转动。该技术在光镊对微粒三维操作的基础上又增加了一维角向的操作,这对光镊的进一步发展及应用有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 微操纵技术发展现状
• 1.1.1 微/纳米操作的特点及应用领域
• 1.1.2 微/纳米操作技术发展
• 1.2 光镊技术的发展及应用
• 1.2.1 光镊技术的背景
• 1.2.2 光镊技术的应用
• 1.2.3 光镊技术的发展
• 1.3 光纤光镊技术
• 1.4 本文的研究工作
• 第2章 光镊原理
• 2.1 光镊的基本原理
• 2.1.1 光的力学效应
• 2.1.2 光阱力的分析及其形成条件
• 2.2 光阱力理论计算模型
• 2.2.1 射线光学模型
• 2.2.2 电磁模型
• 2.2.3 广义洛伦兹和Mie理论
• 2.3 基于电磁场动量守恒定律与时域有限差分的分析方法
• 2.3.1 动量守恒定律和麦克斯韦应力张量
• 2.3.2 时域有限差分的基本原理及特点
• 2.3.3 结合 FDTD算法与动量守恒定律的光阱力分析法
• 2.4 本章小结
• 第3章 单芯光纤光镊设计与光阱力分析
• 3.1 锥型单芯光纤光镊
• 3.1.1 锥型光纤针模型
• 3.1.2 光纤针出射光强分布
• 3.1.3 微粒所受光阱力分析
• 3.2 不同参数条件对光阱力的影响分析
• 3.2.1 光纤探针锥角影响
• 3.2.2 介质球大小影响
• 3.2.3 介质球折射率影响
• 3.3 多粒子捕获问题研究
• 3.3.1 锥型光镊多粒子捕获
• 3.3.2 不同参数条件下两个粒子光阱力
• 3.3.3 不同参数条件下三个粒子光阱力分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 双芯光纤光镊设计与光阱分析
• 4.1 双芯光纤探针
• 4.1.1 双芯光纤探针模型
• 4.1.2 双芯光纤探针对物体的捕获及旋转作用分析
• 4.2 双芯光纤探针出射光场仿真
• 4.3 两个芯中功率比的调节方法与仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 光纤光镊捕获特性实验研究
• 5.1 实验系统
• 5.2 腐蚀型单芯光纤光镊研究
• 5.3 二次捕获现象的研究
• 5.4 双芯单光纤光镊捕获特性实验研究
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢