基于光致热对流效应的微粒子排列技术研究

发布时间：2021-08-07 03:27

　　光镊技术作为近年来发展的一种新型技术,由于其非接触性、无损伤等优点,已经成为一种微观尺度上研究微小粒子的新手段,在生物医学、物理学等多个领域,光镊技术都发挥了很重要的作用。本文的研究工作是通过光纤耦合的方法,将热操控与光纤光镊技术相结合,提出基于光致热对流效应的微粒子操控技术。仅使用一根光纤,既可以实现大量粒子的同时操控,又能满足精确的控制单个粒子的要求,同时可以实现微粒子的空间排列和特殊造型排列等功能。第一,完成基于光致热对流效应微粒子操控技术的功能设计,分析其物理过程。利用时域有限差分法进行光阱力的计算,简述热传递基本原理以及流体动力学的基本原理。对整个物理过程进行仿真计算,得出仿真模拟结果。第二,完成实验平台的搭建,根据实验需求,选择合适参数的仪器。根据所要实现的功能,确定激光光源的选择标准,选择合适波长和功率的光源。简述几种光纤探针的特殊加工方法,通过荧光法实现实验环境中温度的测量。第三,通过实验对所提出的操控技术进行研究,分别实现大量粒子的规则排列、粒子的多层排列、单个粒子的微操控以及不同尺寸粒子的筛选功能。将光纤光镊技术与热效应捕获操控技术相结合,实现粒子的特殊空间造型排列... 

【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校

【文章页数】：72 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

传统光镊示意图

首先可以对聚焦光束的力学作用效果进行简要分析，如下图1.2 所示，假设所捕获的粒子是规则的球体，粒子的中心点位于激光束焦点下方，其中激光束a，b 是轴外光线，当激光束经过粒子时，由于粒子的折射率与周围环境不同，会发生折射从而转变传播方向。根据动量守恒定律可以知道，粒子小球得到了相反方向的动量，也就是受到了反方向的作用力，表示为下图中的aF 、bF ，它们所形成的合力 F与光的传播方向相反。每束在粒子小球表层发生折射的光线均会形成一个与光的传播方向相反的力，在它们的合力作用下粒子会向焦点位置移动。一般来说，如果激光束通过光学透镜会聚而产生的光斑其直径在 1μm 范围之内，其梯度力就会超过散射力。当粒子位于这样的光场中时，粒子受到的主要作用力为拉力。因此，在梯度力的作用下，不管粒子在光场中的任何方位，均会导致其形成向着光束会聚点移动的趋向。图 1.2 单光束梯度力光阱示意图传统光镊系统具有捕获、操控和移动等基本的功能。Ashkin 等人首次将红外激光器用于光镊体系当中，并且顺利进行了活体生物细胞的捕捉和操控[12,13]。近些年来

图 1.4 单光纤光镊实验系统和工作原理图中国科技大学的明海等研究人员为国内的光纤光镊研究做出很大贡献，他们通过值模拟与实验方法进行分析，得出在光纤探针的影响下，直径 2 微米的聚苯乙烯小球受到的轴向作用力的方向为沿着光束的传播方向，而径向作用力的方向为指向光轴的向[29]。胡朝晖和王佳等相关人员通过时域有限差分方法（Finite-Difference Time-Doma


本文编号：3326985