【摘要】：光鑷技術憑借其非機械接觸、可精確測量微小粒子位移等獨特優(yōu)勢,在膠體物理、生物醫(yī)學等領域得到了廣泛的應用。但是,傳統(tǒng)的光鑷技術使用單個物鏡同時進行光學捕獲與顯微成像,使得捕獲與成像區(qū)域被限制在物鏡焦平面附近,無法同時觀察到沿光軸方向(即Z向)捕獲的多個微粒。軸向的多光阱微粒捕獲與實時跟蹤仍然是一個挑戰(zhàn)。利用三維成像技術可以實現(xiàn)對軸平面(X-Z平面)的監(jiān)控,但普通的三維成像技術速度慢,不能滿足光鑷實時觀測的需求。為了解決傳統(tǒng)光鑷技術三維捕獲中的這些問題,我們開展了以下幾方面的理論和實驗研究。為了實現(xiàn)穩(wěn)定的軸向多光阱捕獲,提出了一種基于軸平面傅里葉變換的Gerchberg-Saxton(GS)算法,可直接產生沿軸向分布的光阱陣列。為解決軸向實時觀測的問題,提出了一種基于45°反射棱鏡的直接觀測樣品軸平面的技術方案,利用Zemax仿真軟件模擬了采用不同光學參數(shù)的反射棱鏡系統(tǒng)的成像性能,確定了成像系統(tǒng)的最佳參數(shù)�；诜抡娼Y果,將軸平面成像技術與全息光鑷相結合,建立了一套軸向多光阱微粒捕獲與實時直接觀測系統(tǒng),并開展了橫平面和軸平面的同時觀測和軸向多光阱捕獲的實驗研究,通過視頻分析法測量了軸向多光阱的光阱剛度。主要研究工作分述如下:1.提出了一種基于軸平面傅里葉變換的GS迭代算法,利用該迭代算法可直接產生沿軸向分布的多光阱陣列。我們所提出的迭代算法與透鏡光柵組合法等算法相比較,具有更高的調制效率和調制精度,所產生的沿軸向分布的每個點光阱都具有較理想的高斯強度分布。2.設計了一種基于45°微棱鏡的軸平面成像系統(tǒng)。傳統(tǒng)光鑷技術的捕獲與成像區(qū)域被限制在物鏡焦平面附近,這個限制導致其無法同時觀察到沿軸向排列的多個微粒。我們設計的軸平面成像系統(tǒng)可直接對樣品軸平面成像,與傳統(tǒng)光鑷技術相比增加了一個新的觀測視角,拓展了光學捕獲的功能和應用。3.利用Zemax軟件對軸平面成像系統(tǒng)進行了成像性能優(yōu)化,確定了最佳成像參數(shù)并進行了實驗驗證。比較了使用三種光學玻璃(FK54、BK7、SF11)的反射棱鏡和反射鏡系統(tǒng)的點擴散函數(shù)。利用Zernike多項式分析了系統(tǒng)的一階球差、X方向一階彗差和X方向一階像散。綜合仿真結果確定了軸平面成像系統(tǒng)最佳成像參數(shù)。并對BK7鍍膜棱鏡和反射鏡的實際成像效果進行了驗證。4.將軸平面成像技術與全息光鑷技術相結合,實現(xiàn)了軸平面的多光阱捕獲與實時觀測,通過視頻分析法標定了軸向多光阱的光阱剛度。利用軸平面GS算法產生了軸向2×2分布的光阱陣列的全息圖,捕獲了2×2的二氧化硅微球陣列,對捕獲過程實現(xiàn)了實時觀測。利用視頻分析法同時測量了被捕獲的二氧化硅微球在軸向光鑷陣列中的布朗運動,根據(jù)能量均分定理標定了軸向多光阱的光阱剛度。
【圖文】：

光學元件只能產生固定的光場結構，無法編程控制，器主要有數(shù)字微鏡陣列（Digital micro-mirror device, able mirror, DM）和液晶空間光調制器（Liquid crysLM）。其中，液晶空間光調制器具有非常高的光能利用以產生復雜三維結構的光阱陣列。所以，，基于液晶空術應用十分廣泛。圖 1.1 為基于反射式液晶空間光調制，如果將液晶空間光調制器之后所有的光學元件看作是圖所在的調制平面（SLM 所在平面）位于該傅里葉透面（物鏡的焦平面）位于該傅里葉透鏡的后焦面，二者光鑷大多使用相位型空間光調制器，因此全息光鑷的調制相位全息圖加載到空間光調制器，使得調制光場的光場。調制再現(xiàn)期望光場分布的計算機全息圖（ComCGH）可以通過相關算法進行計算[18]。

圖 1.2 光鑷研究對象的范圍[21]。Figure 1.2 The range of studying objects of optical tweezers.圖 1.3 利用小球作為手柄研究生物分子的彈性信息[22]。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院西安光學精密機械研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O439

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本文編號：2630768