聚焦奇点光束对瑞利微粒辐射力的研究

发布时间：2020-04-03 01:53

【摘要】：基于光辐射力的光镊技术是利用光与物质相互作用产生的光势阱效应,在微纳尺度上操纵微粒和进行微小力学测量的一门技术。目前,光镊技术具有纳米级位移和飞牛量级的测量精度,广泛应用于生命科学、胶体科学以及纳米材料科学等领域。随着技术创新和科学进步,传统高斯光束光镊已经不能满足研究者的需求,理论和实验证明特殊光场光镊不仅可以实现特殊情况下的微粒操控,并具有传统高斯光束光镊不具备的优异性能。奇点光束含有特殊的光场分布,拥有许多独特性质。因此,研究聚焦奇点光束对微粒的辐射力具有重要意义。本文选取高斯谢尔模型(Gaussian Schell-model,GSM)涡旋光束、部分相干圆刃型位错光束、部分相干修正贝塞尔高斯(Modified Bessel-Gaussian,MBG)光束和矩形列阵涡旋光束为研究对象,分析了这四种奇点光束对折射率不同的两种瑞利微粒的辐射力及其俘获情况。主要工作包括以下四部分:基于广义惠更斯-菲涅耳原理和瑞利散射理论,推导出GSM涡旋光束经过一个聚焦光学系统后的光强解析表达式,研究了聚焦GSM涡旋光束对高折射率和低折射率两种瑞利微粒的辐射力,并分析了俘获稳定性。研究表明,聚焦GSM非涡旋光束在焦平面上只能俘获高折射率粒子,不能俘获低折射率粒子。聚焦GSM涡旋光束可以在焦平面上亮环处俘获高折射率粒子,同时可以将低折射率粒子俘获到z轴。此外,拓扑荷和空间相关长度值越大,聚焦GSM涡旋光束俘获两种粒子越容易。推导出部分相干圆刃型位错光束经过ABCD聚焦光学系统后的光强解析表达式,用以研究聚焦部分相干圆刃型位错光束对折射率不同的两种瑞利微粒的俘获情况,具体讨论了圆刃型位错的数目、空间相关长度、相对折射率和粒子半径对辐射力的影响。研究发现,聚焦部分相干圆刃型位错光束在焦点和亮环处可以捕获高折射率粒子,同时在暗环处可以俘获低折射率粒子。圆刃型位错的数目越多、空间相关长度越大,在焦点处俘获高折射率粒子和在暗环处俘获低折射率粒子越容易。此外确定了稳定俘获情况下两种类型瑞利微粒的半径范围。研究了聚焦部分相干MBG光束对两种瑞利电介质球的辐射力,具体分析了拓扑荷和光谱相干度对辐射力的影响。数值研究结果表明,聚焦部分相干MBG光束的拓扑荷m等于零时,可以在焦点处俘获高折射率粒子,但不能捕获低折射率粒子。聚焦部分相干MBG光束的拓扑荷m不为零时,不仅在焦平面上的亮环处能捕获高折射率微粒,同时可以将低折射率粒子俘获到z轴;随着拓扑荷值的增大,梯度力减小,对微粒的横向俘获范围增大。此外,光谱相干度的值越大,聚焦部分相干MBG光束(m≠0)俘获两种类型粒子越容易。基于相干叠加和非相干叠加模式,推导出聚焦矩形列阵高斯谢尔模型(rectangular array Gaussian Schell-model,RAGSM)涡旋光束光强的解析表达式,研究了矩形列阵多光阱系统对多个低折射率粒子的俘获,分析了叠加方式对俘获稳定性和轴向捕获范围的影响。研究表明,聚焦RAGSM涡旋光束在输出面上可以呈矩形阵列分布的俘获多个低折射率粒子,其中中心的子光束可以二维(x-y平面)捕获周围区域的粒子,其它子光束可以三维捕获相应区域的微粒。且非相干叠加RAGSM涡旋光束对微粒的轴向俘获范围要比相干叠加模式的大。
【图文】：

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(a)折射光产生横向梯度力，(b)折射光产生轴向梯度力，(c)反力，(d)微粒尺寸很小时，微粒受到沿光场强度梯度方向的偶极力atic diagram of optical tweezers. (a) Transverse gradient force produced byient force produced by refraction light, (c) scattering force produced by refle particles is very small, and the particles are subjected to dipole forces alongintensity gradient术诞生起，光镊就成为了捕获操控电介质小球[3-5]、中性原子粒[9]、生物细胞和生物分子[10-13]等微粒的重要工具，并且渗透纳米材料科学等领域。例如通过光镊直接操控微米量级微粒，、测量细胞膜的弹性[15,16]、操控活体内血红细胞[17]以及测量微控微粒作为手柄小球能在单分子层次上研究驱动蛋白的运动机蛋白质的折叠过程[21]等；通过光镊直接操控纳米微粒，能进行金属纳米颗粒的表面增强拉曼效应[23]等。在推动其他领域研究进步的同时，，其本身也在不断发展。光镊

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图 1.2 光镊技术操控活体动物内的红细胞[17]Fig. 1.2 Manipulation of the red blood cells in living animals技术与原子力显微镜等微观探测技术相结合，促进生命科学领域到了单分子层面，例如Svoboda及其合作者利用光镊-双光束干涉的动力学特性[59]。Zhang等人将光镊和微针相结合研究了vWF蛋，实现了对单个蛋白分子的操控并实时观测其细微的结构变化[21]
【学位授予单位】：太原科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O436

【参考文献】