【摘要】：光鑷技術(shù)憑借其非機(jī)械接觸、可精確測(cè)量微小粒子位移等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),在膠體物理、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是,傳統(tǒng)的光鑷技術(shù)使用單個(gè)物鏡同時(shí)進(jìn)行光學(xué)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(shí)觀察到沿光軸方向(即Z向)捕獲的多個(gè)微粒。軸向的多光阱微粒捕獲與實(shí)時(shí)跟蹤仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。利用三維成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軸平面(X-Z平面)的監(jiān)控,但普通的三維成像技術(shù)速度慢,不能滿足光鑷實(shí)時(shí)觀測(cè)的需求。為了解決傳統(tǒng)光鑷技術(shù)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(shí)驗(yàn)研究。為了實(shí)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(chǎn)生沿軸向分布的光阱陣列。為解決軸向?qū)崟r(shí)觀測(cè)的問題,提出了一種基于45°反射棱鏡的直接觀測(cè)樣品軸平面的技術(shù)方案,利用Zemax仿真軟件模擬了采用不同光學(xué)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(jié)果,將軸平面成像技術(shù)與全息光鑷相結(jié)合,建立了一套軸向多光阱微粒捕獲與實(shí)時(shí)直接觀測(cè)系統(tǒng),并開展了橫平面和軸平面的同時(shí)觀測(cè)和軸向多光阱捕獲的實(shí)驗(yàn)研究,通過視頻分析法測(cè)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(chǎn)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(diào)制效率和調(diào)制精度,所產(chǎn)生的沿軸向分布的每個(gè)點(diǎn)光阱都具有較理想的高斯強(qiáng)度分布。2.設(shè)計(jì)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(shù)的捕獲與成像區(qū)域被限制在物鏡焦平面附近,這個(gè)限制導(dǎo)致其無法同時(shí)觀察到沿軸向排列的多個(gè)微粒。我們?cè)O(shè)計(jì)的軸平面成像系統(tǒng)可直接對(duì)樣品軸平面成像,與傳統(tǒng)光鑷技術(shù)相比增加了一個(gè)新的觀測(cè)視角,拓展了光學(xué)捕獲的功能和應(yīng)用。3.利用Zemax軟件對(duì)軸平面成像系統(tǒng)進(jìn)行了成像性能優(yōu)化,確定了最佳成像參數(shù)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。比較了使用三種光學(xué)玻璃(FK54、BK7、SF11)的反射棱鏡和反射鏡系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。利用Zernike多項(xiàng)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(jié)果確定了軸平面成像系統(tǒng)最佳成像參數(shù)。并對(duì)BK7鍍膜棱鏡和反射鏡的實(shí)際成像效果進(jìn)行了驗(yàn)證。4.將軸平面成像技術(shù)與全息光鑷技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了軸平面的多光阱捕獲與實(shí)時(shí)觀測(cè),通過視頻分析法標(biāo)定了軸向多光阱的光阱剛度。利用軸平面GS算法產(chǎn)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(duì)捕獲過程實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)觀測(cè)。利用視頻分析法同時(shí)測(cè)量了被捕獲的二氧化硅微球在軸向光鑷陣列中的布朗運(yùn)動(dòng),根據(jù)能量均分定理標(biāo)定了軸向多光阱的光阱剛度。
【圖文】：

光學(xué)元件只能產(chǎn)生固定的光場(chǎng)結(jié)構(gòu)，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(diào)制器（Liquid crysLM）。其中，液晶空間光調(diào)制器具有非常高的光能利用以產(chǎn)生復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的光阱陣列。所以，，基于液晶空術(shù)應(yīng)用十分廣泛。圖 1.1 為基于反射式液晶空間光調(diào)制，如果將液晶空間光調(diào)制器之后所有的光學(xué)元件看作是圖所在的調(diào)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(diào)制器，因此全息光鑷的調(diào)制相位全息圖加載到空間光調(diào)制器，使得調(diào)制光場(chǎng)的光場(chǎng)。調(diào)制再現(xiàn)期望光場(chǎng)分布的計(jì)算機(jī)全息圖（ComCGH）可以通過相關(guān)算法進(jìn)行計(jì)算[18]。

圖 1.2 光鑷研究對(duì)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(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O439

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 彭飛;姚保利;雷銘;嚴(yán)紹輝;;拖曳法測(cè)量微粒光阱力和光阱剛度的實(shí)驗(yàn)研究[J];光電子.激光;2010年01期

2 吳建光;任煜軒;王自強(qiáng);周程;李銀妹;;旋轉(zhuǎn)玻片法實(shí)現(xiàn)分時(shí)復(fù)用多光阱[J];中國激光;2009年10期

3 龍海峰,史錦珊;光鑷光阱力計(jì)算方法的研究[J];光電子技術(shù)與信息;2005年04期

4 尹良紅,李銀妹,樓立人,張達(dá),陳洪濤;空心新型光阱的實(shí)驗(yàn)研究[J];中國激光;2003年03期

5 李東華;王喜慶;蒲繼雄;;聚焦透鏡的像散對(duì)光阱力的影響[J];光學(xué)技術(shù);2012年03期

6 喻有理;劉丹東;張孝林;;用漂移和擴(kuò)散概念求解光阱中細(xì)胞的熱驅(qū)動(dòng)分布[J];大學(xué)物理;2010年05期

7 李銀妹,樓立人,操傳順,丁劍;光阱阱位的觀察與調(diào)節(jié)[J];中國激光;1998年12期

8 李吉祥;喻有理;張孝林;;熱驅(qū)動(dòng)法測(cè)量光阱剛度的蒙特卡羅模擬[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2010年01期

9 高秋娟;朱艷英;李亞林;史錦珊;;光鑷對(duì)血紅細(xì)胞橫向光阱力的研究[J];激光與紅外;2008年03期

10 周蜀渝;徐震;周善鈺;王育竹;;以慢原子束方式進(jìn)行原子轉(zhuǎn)移的雙磁光阱系統(tǒng)[J];物理學(xué)報(bào);2007年01期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 梁言生;姚保利;雷銘;嚴(yán)紹輝;楊延龍;但旦;郜鵬;閔俊偉;葉彤;;光鑷光阱剛度的標(biāo)定[A];2013年（第五屆）西部光子學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2013年

2 劉豐瑞;張志剛;程騰;張青川;伍小平;;錐環(huán)狀光阱對(duì)微米級(jí)氣溶膠的動(dòng)態(tài)捕捉[A];中國力學(xué)大會(huì)——2013論文摘要集[C];2013年

3 付軍賢;陳帥;王義遒;;非三維光束組態(tài)磁光阱的實(shí)現(xiàn)與特性研究[A];第九屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)摘要集（Ⅱ）[C];2000年

4 張華;韓良愷;;用位相型菲衍涅耳透鏡產(chǎn)生三維光阱陣列及其光學(xué)晶格[A];中國光學(xué)學(xué)會(huì)2006年學(xué)術(shù)大會(huì)論文摘要集[C];2006年

5 付軍賢;李義民;陳徐宗;楊東海;王義遒;;磁光阱特性及冷原子集合行為的實(shí)驗(yàn)研究[A];第八屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)論文摘要選[C];1998年

6 周琦;陸俊發(fā);印建平;;由空間光調(diào)制器產(chǎn)生的冷原子(分子)徑向雙光阱與軸向多光阱方案[A];第十六屆全國原子與分子物理學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2011年

7 劉春香;郭紅蓮;降雨強(qiáng);李兆霖;程丙英;張道中;;光鑷光阱力精確標(biāo)定中的振蕩干擾問題[A];第六屆全國光學(xué)前沿問題研討會(huì)論文摘要集[C];2003年

8 朱艷英;高秋娟;魏勇;;光鑷橫向光阱力的理論分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)量[A];中國光學(xué)學(xué)會(huì)2006年學(xué)術(shù)大會(huì)論文摘要集[C];2006年

9 王軍民;閆樹斌;耿濤;李剛;張玉馳;張?zhí)觳?彭X墀;;銫原子雙磁光阱中冷原子的輸運(yùn):從推載到導(dǎo)引[A];第十二屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2006年

10 紀(jì)憲明;韓良愷;李雅麗;;采用Damman光柵實(shí)現(xiàn)冷原子或冷分子囚禁的光阱陣列[A];第十二屆全國量子光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2006年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 衛(wèi)棟;～（87）Rb-～（40）K玻色費(fèi)米混和氣體磁光阱的實(shí)驗(yàn)研究[D];山西大學(xué);2007年

2 劉靜;光鑷中的Janus粒子運(yùn)動(dòng)研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所);2017年

3 任煜軒;新型調(diào)制光阱的理論、實(shí)驗(yàn)與單分子應(yīng)用[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

4 劉濤;銫原子磁光阱及光學(xué)偶極俘獲的實(shí)驗(yàn)與理論研究[D];山西大學(xué);2004年

5 吳建光;利用光鑷研究生物細(xì)胞的力學(xué)行為[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

6 彭飛;光學(xué)捕獲理論及光鑷的應(yīng)用研究[D];中國科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機(jī)械研究所);2011年

7 王杰;基于階梯型原子系統(tǒng)的超精細(xì)作用常數(shù)精密測(cè)量和雙色磁光阱[D];山西大學(xué);2016年

8 黃巍;磁光阱冷卻及等離子體環(huán)境下的原子光電離研究[D];清華大學(xué);2012年

9 吳燕華;光鑷在生物細(xì)胞自動(dòng)化操作中的力學(xué)標(biāo)定和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

10 陳昊澤;拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)演示及鋰鉀玻色費(fèi)米雙超流系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 王s

本文編號(hào)：2630768