激光捕獲技術(shù)及環(huán)形光束的聚焦特性研究.pdf

1、隨著激光生物學(xué)的發(fā)展，以激光微束的光阱效應(yīng)為基礎(chǔ)的激光捕獲技術(shù)逐漸成為生命科學(xué)和生物工程研究的有力工具。激光捕獲技術(shù)又形象地被稱為光鑷，它是利用激光的輻射壓效應(yīng)，由一束高度會聚的激光形成的三維勢阱對單個細胞、生物大分子等微小粒子(亞微米到數(shù)十微米大小)實現(xiàn)非接觸、無損傷精確操控。目前已廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)以及納米技術(shù)等領(lǐng)域中。 本文首先綜述了光鑷技術(shù)的發(fā)展過程以及國內(nèi)外光鑷技術(shù)的研究現(xiàn)狀，闡明了光鑷的

2、基本原理，解釋了光輻射壓、梯度力、散射力、光學(xué)勢阱等相關(guān)的基本概念，定性分析了光阱力對粒子的束縛條件。 在光阱力的定量計算方面，根據(jù)粒子的幾何尺寸與光波長的大小關(guān)系建立了相應(yīng)的計算模型，基于幾何光學(xué)原理，以射線光學(xué)計算模型為基礎(chǔ)，對幾何尺寸遠大于光波長的米氏球狀粒子所受的光阱力進行了理論分析；基于電磁場模型，對幾何尺寸遠小于激光波長的瑞利粒子所受的光阱力進行了分析。 在儀器的設(shè)計方面，對如何建立一套單光阱光鑷儀器系統(tǒng)做了

3、初步的調(diào)研，詳細介紹了單光鑷系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)的選取原則，其中重點討論了激光器光源和顯微物鏡的選取。并在此基礎(chǔ)上討論了包括單光源雙光阱光鑷儀器系統(tǒng)、空心光鑷、光纖光鑷、全息光鑷在內(nèi)的其他形式的光鑷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 討論了基于空心光鑷的環(huán)形光束的聚焦性質(zhì)，利用分步傅立葉一貝塞爾變換算法，對二維環(huán)形超高斯光束的非線性傳輸及聚焦過程進行了數(shù)值模擬，給出了環(huán)形光束聚焦場附近的光強分布，并分析了光束的內(nèi)外徑之比和非線性調(diào)制對聚焦性質(zhì)(包括焦面中心光強、

4、焦面光強的橫向分布、軸上光強和光束質(zhì)量)的影響。研究表明，從聚焦角度來看，環(huán)形光束存在最佳內(nèi)外徑之比，且這個最佳比值對透鏡焦距依賴性很強，非線性調(diào)制中的位相調(diào)制比振幅調(diào)制對環(huán)形光束聚焦性質(zhì)的影響程度要大；從非線性傳輸角度來看，隨著非線性介質(zhì)長度的增加使位相調(diào)制和振幅調(diào)制對環(huán)形光束聚焦性質(zhì)各有不同程度的加劇，其中非線性作用對振幅調(diào)制的影響要比位相調(diào)制明顯。 本文為光鑷系統(tǒng)裝置的搭建做了理論和技術(shù)的前期準備工作，對光鑷儀器的設(shè)計以及