【摘要】：光鑷因具有非機械接觸、低損傷、操控對象范圍廣、可高精度測量微小位移量和作用力等特點,被廣泛應用于生命科學和物理學等領域的研究�？臻g光場調控技術通過調制光場的振幅、相位和/或偏振態(tài)空間分布,可以產(chǎn)生任意復雜的點光阱陣列分布或特殊模式光束(如渦旋光、任意彎曲光場等),實現(xiàn)多光阱動態(tài)微操縱、光學旋轉和光學輸運等豐富的功能,將傳統(tǒng)的光鑷技術發(fā)展為廣義的光學微操縱技術。通過對微粒的精確操控,光學微操縱技術已經(jīng)成為了膠體粒子相互作用研究、微粒的分選、晶體結構的制作、微化學反應研究等領域的強有力工具。因此,通過空間光場調制產(chǎn)生新穎的光場分布,拓展光學微操縱的功能,對光學微操縱技術的應用和發(fā)展具有重要的意義。本論文圍繞著基于空間光場調控的光學微操縱技術主要開展了以下工作:1.設計并搭建了一套緊湊型多功能光學微操縱系統(tǒng),提出了利用高階渦旋光來校正系統(tǒng)像差的方法。該系統(tǒng)采用模塊化設計,結構緊湊穩(wěn)定,光能利用率高(約40%),體積約為400×400×500mm~3。使用LabVIEW軟件開發(fā)了實時動態(tài)微操縱界面程序,實現(xiàn)了對數(shù)十個微粒的同時捕獲與實時動態(tài)控制(刷新頻率約13Hz)。利用該系統(tǒng)對直徑在亞波長至十幾微米的微粒進行了捕獲與操縱,操縱對象包括細胞、膠體粒子等微粒。利用高階渦旋光作為校正標準進行像差校正,不需要對系統(tǒng)進行任何改動,簡單有效。通過像差校正,系統(tǒng)的光場調制效率提高了64%,(x,y)方向的光阱剛度分別由(94.61,133.02)pN/μm提高到(222.06,192.17)pN/μm,分別提高至原來的2.35倍和1.44倍。2.提出一種基于45°微反射鏡的軸平面成像技術和基于軸平面傅里葉變換的軸平面GS算法,實現(xiàn)了軸平面同時捕獲與成像。軸平面成像和操控技術突破了傳統(tǒng)光鑷系統(tǒng)只能在橫平面進行微粒跟蹤與操縱的限制,使在軸平面進行更加復雜的光學微操縱和直接觀測成為可能。本文提出的軸平面成像和操控技術實現(xiàn)了約300μm的軸向全息光學微操縱距離,軸平面GS算法可以快速地在軸平面產(chǎn)生高質量的光場分布,具有比三維迭代算法更快的計算速度和效率。結合軸平面成像技術和軸平面GS算法,實現(xiàn)了軸向1×3光阱陣列的捕獲和光阱剛度的標定。3.研究了微粒在不同類型渦旋光束中的旋轉運動特性。光與物質相互作用中的角動量傳遞會對微粒產(chǎn)生力矩,使其做軌道旋轉或者自旋運動。研究微粒在光場中的軌道和自旋運動特性,有助于了解其角動量傳遞的物理機制和促進光學旋轉的應用。本文理論分析和實驗研究了高折射粒子在拉蓋爾-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束中的運動特性和規(guī)律;研究了近完美渦旋光束對低折射率粒子的旋轉操縱,提出并證明了提高粒子旋轉效率的方法。研究了雙折射晶體微粒在圓偏振渦旋光束中的運動特性。提出了結合圓偏振和低階渦旋相位來提高雙折射晶體微粒自旋效率的方法,并證明了雙折射晶體微粒在圓偏振高階渦旋光束中軌道運動與自旋運動的同時存在。4.利用軸平面成像和操控技術研究了貝塞爾(Bessel)光束、徑向高階LG光束和傾斜Bessel光束的直線軌跡輸運微粒,以及艾里(Airy)光束和蛇形光束的彎曲軌跡輸運微粒的動力學特性。光學輸運在微粒分選中發(fā)揮著日益重要的作用,而無衍射光束的長距離傳播特點使其成為了光束輸運微粒的理想工具。本文提出的軸平面成像和操控技術為研究無衍射光束的光學輸運特性提供了有效的工具。利用零階Bessel光束和徑向高階LG光束,實現(xiàn)了在緊聚焦條件下長達300μm的軸向輸運距離。利用傾斜Bessel光束,實現(xiàn)了傾斜角18.7°的斜線軌跡光學輸運。利用Airy光束和蛇形光束,實現(xiàn)了沿彎曲軌跡的光學輸運。對于多種類型的無衍射光束光學輸運的分析,有助于光學分選在復雜環(huán)境中的應用研究。
【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】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O43
【圖文】：

鏡成像技術相比較，光學顯微成像技術更適合于活體動態(tài)成像，因此中應用日益廣泛。顯微成像技術為人類提供了“看得見”微觀物體的“眼睛”。但是，際上是高度動態(tài)變化的，在粒子的相互作用（特別是力學作用）中不于粒子的力學作用，顯微成像技術無法直接探測。微操縱技術在此得著”的“手”，如今已成為微觀作用研究中的強有力工具。其中應的是光學微操縱（OpticalMicromanipulation）技術。光學微操縱技術實施的作用力在飛牛（10-15N）至數(shù)百皮牛（10-10N）之間，涵蓋了在數(shù)十微米以下的微粒相互作用力[7]。其研究對象范圍非常廣，包括度的原子到數(shù)十微米大小的生物細胞，如圖 1.1 所示[7]。通過研究這互作用，如細菌的鞭毛作用、膠體粒子的靜電作用等，有助于我們更釋生命活動過程、物理的基本規(guī)律和其它生物化學過程。

圖 1.2 彗星的尾巴現(xiàn)象。Figure 1.2 The tail of a comet. 年，Ashkin 發(fā)現(xiàn)激光束的輻射壓力可以顯著地改變透明電性，并定義了兩類光學力（OpticalForce）：沿入射光傳播方ng Force）和與光場強度梯度方向相反的梯度力（Gradient 光學微操縱技術的誕生。Ashkin 利用兩束反向傳播的弱聚在光束交匯處的中心。聚焦激光束對粒子的作用非常明顯，以實現(xiàn)對微粒的加速、減速，甚至是穩(wěn)定的束縛。束對于微粒的力學作用是非常明顯的，因此很容易被觀察到易通過一束被一個平面反射鏡反射的、功率為 P、角頻率為 據(jù)量子力學理論，一個光子攜帶的動量為 p= ω/c，其中 常數(shù)，h 為普朗克常數(shù)，c 為光速。在這種情況下，每秒擊數(shù)為 P/( ω)，其中 ω 是每個光子攜帶的能量。如果所有光每秒鐘總的動量改變量（即受力）為：F=2(P/ ω)( ω/c)=2P

第 1 章 緒論現(xiàn)很容易觀測到的效應，因此我嘗試了一個簡單的實驗。讓人一個很簡單的實驗 ，主要是為了觀察激光輻射壓力驅動，結果我們觀察到的不僅僅是這樣的力，還具有橫向的力分分離和穩(wěn)定三維捕獲等現(xiàn)象�！� 年，Ashkin[19]進一步利用單束強聚焦激光實現(xiàn)了對微粒的三一束強聚焦激光束稱為光鑷。圖 1.3 所示是光鑷的原理示意微球囚禁在光阱中心附近（圖 1.3（a））。當微球偏離其受力平個指向平衡位置的光場梯度力 Fg的作用（圖 1.3（b））。由撞，微球是處于一個動態(tài)平衡的狀態(tài)：在平衡位置做受限的

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2 胡朝暉,王佳,梁晉文;遠場光鉗與近場光鉗的發(fā)展[J];光學技術;2003年03期

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本文編號：2786539