【摘要】：1986年,Askin發(fā)明了用聚焦的高斯光束實現(xiàn)微小生物粒子的捕獲及操縱的單光束光鑷技術(shù),自此開啟了微觀操縱的大門,40多年來,光鑷技術(shù)已是生物學(xué)、物理化學(xué)和凝聚態(tài)物理中不可或缺的工具。光鑷技術(shù)主要為兩種,一種基于梯度力與散射力,此類光鑷技術(shù)能實現(xiàn)對高折射率粒子的操控,目前廣泛應(yīng)用于生物細胞、生物大分子、膠體微粒以及納米金微粒等的研究中;另一種基于光泳力,針對介質(zhì)中吸光性粒子進行捕獲,在醫(yī)學(xué)、藥理學(xué)、大氣科學(xué)及行星運動中有著廣泛的應(yīng)用前景。目前針對吸收性粒子的光鑷技術(shù)多為實現(xiàn)粒子于空氣中的捕獲及輸運,而在液體中操控吸收性粒子的研究依然停留在二維層面。液體中操控強吸收性粒子的主要困難在于,粒子被光照明的一側(cè)會吸收更多的能量從而誘發(fā)正向光泳力,將粒子推離光源,無法實現(xiàn)穩(wěn)定捕獲。針對液體中吸收性粒子捕獲的研究現(xiàn)狀,本文提出基于光泳力的針對液體中吸光性粒子的光學(xué)捕獲技術(shù)。理論上,對粒子受力進行了分析,詳細推導(dǎo)并求解FΔα型光泳力大小的數(shù)量級,實驗上,通過設(shè)計一套雙路實時監(jiān)測光鑷系統(tǒng),實現(xiàn)液體中吸收性粒子的三維捕獲以及軸向微位移,并對粒子熒光溫度場進行了拍攝以及數(shù)據(jù)處理。本文對吸收性粒子的三維捕獲以及軸向位置操控提供了一種非接觸、高精度的控制方法,為研究液體介質(zhì)中吸收粒子的獨特特性提供了可能性。主要做了以下研究:1、常規(guī)的基于輻射壓與梯度力的光鑷技術(shù)并不適用于強吸收性粒子的捕獲,本文提出了針對強吸收性粒子捕獲的光泳力光鑷技術(shù)方案,并進行了理論公式的推導(dǎo)。之后基于Thorlabs籠式光學(xué)組件設(shè)計并搭建了一套空間光光鑷系統(tǒng),利用該系統(tǒng)實現(xiàn)了液體環(huán)境中單一吸收性粒子的捕獲及三維操控。通過改變光功率的大小,實現(xiàn)了粒子沿光束傳播方向的位移操控,操控精度可達納米量級。2、設(shè)計并搭建出側(cè)視-仰視雙視場實時觀測系統(tǒng),實現(xiàn)了對所捕獲的吸收性粒子于側(cè)方以及下方視角的同時觀測。完善了側(cè)視熒光激發(fā)模塊的設(shè)計,實現(xiàn)了對液體環(huán)境中所捕獲吸收性粒子的熒光溫度數(shù)據(jù)的記錄。3、為了探究不同聚焦程度的光場對吸收性粒子的捕獲效果影響,借助三維建模及3D打印技術(shù),對光鑷系統(tǒng)中的捕獲物鏡進行更換,實現(xiàn)了粒子軸向位移距離的展寬,并探究了光功率、軸向位移量以及光阱剛度三者間的關(guān)系。
【圖文】：

圖 1.2Ashkin 和他的同事利用光的輻射壓實現(xiàn)微粒操控（a）硅微粒在光場中受光輻射壓力沿傳播方向作加速運動 （b）兩束相對傳輸光實現(xiàn)水中透明粒子的光夾持圖 1.3 強聚焦激光束對水中懸浮的 10μm 小球?qū)崿F(xiàn)三維捕獲自 Ashkin 的開創(chuàng)性工作之后，光鑷這種具有三維捕獲能力的光阱，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式捕獲以及三維操縱相對高折射率的微粒，且正常操縱范圍內(nèi)光源功率輸出不會對粒子造成損傷，能夠保持生物粒子活性，并具備 pN 量級的微小力測量，這些在生命科學(xué)中的應(yīng)用潛力，使得光鑷引起科學(xué)界極大興趣。國際上，Beckman 研究室、普林斯頓大學(xué)、Rowland 科學(xué)院、Stanford 研究中心、海德堡大學(xué)等首先展開了對光鑷的研究[22]。

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文對活體物質(zhì)進行無損傷的操縱[23,24]。同時，由于此種捕獲僅由一束激光打造，，所以也稱單光束梯度力光阱，即光鑷，如圖 1.3 所示。圖 1.2Ashkin 和他的同事利用光的輻射壓實現(xiàn)微粒操控（a）硅微粒在光場中受光輻射壓力沿傳播方向作加速運動 （b）兩束相對傳輸光實現(xiàn)水中透明粒子的光夾持
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O439

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本文編號：2701527