轴向多光阱微粒捕获与实时观测技术研究

发布时间：2020-04-17 10:33

【摘要】：光镊技术凭借其非机械接触、可精确测量微小粒子位移等独特优势,在胶体物理、生物医学等领域得到了广泛的应用。但是,传统的光镊技术使用单个物镜同时进行光学捕获与显微成像,使得捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,无法同时观察到沿光轴方向(即Z向)捕获的多个微粒。轴向的多光阱微粒捕获与实时跟踪仍然是一个挑战。利用三维成像技术可以实现对轴平面(X-Z平面)的监控,但普通的三维成像技术速度慢,不能满足光镊实时观测的需求。为了解决传统光镊技术三维捕获中的这些问题,我们开展了以下几方面的理论和实验研究。为了实现稳定的轴向多光阱捕获,提出了一种基于轴平面傅里叶变换的Gerchberg-Saxton(GS)算法,可直接产生沿轴向分布的光阱阵列。为解决轴向实时观测的问题,提出了一种基于45°反射棱镜的直接观测样品轴平面的技术方案,利用Zemax仿真软件模拟了采用不同光学参数的反射棱镜系统的成像性能,确定了成像系统的最佳参数。基于仿真结果,将轴平面成像技术与全息光镊相结合,建立了一套轴向多光阱微粒捕获与实时直接观测系统,并开展了横平面和轴平面的同时观测和轴向多光阱捕获的实验研究,通过视频分析法测量了轴向多光阱的光阱刚度。主要研究工作分述如下:1.提出了一种基于轴平面傅里叶变换的GS迭代算法,利用该迭代算法可直接产生沿轴向分布的多光阱阵列。我们所提出的迭代算法与透镜光栅组合法等算法相比较,具有更高的调制效率和调制精度,所产生的沿轴向分布的每个点光阱都具有较理想的高斯强度分布。2.设计了一种基于45°微棱镜的轴平面成像系统。传统光镊技术的捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,这个限制导致其无法同时观察到沿轴向排列的多个微粒。我们设计的轴平面成像系统可直接对样品轴平面成像,与传统光镊技术相比增加了一个新的观测视角,拓展了光学捕获的功能和应用。3.利用Zemax软件对轴平面成像系统进行了成像性能优化,确定了最佳成像参数并进行了实验验证。比较了使用三种光学玻璃(FK54、BK7、SF11)的反射棱镜和反射镜系统的点扩散函数。利用Zernike多项式分析了系统的一阶球差、X方向一阶彗差和X方向一阶像散。综合仿真结果确定了轴平面成像系统最佳成像参数。并对BK7镀膜棱镜和反射镜的实际成像效果进行了验证。4.将轴平面成像技术与全息光镊技术相结合,实现了轴平面的多光阱捕获与实时观测,通过视频分析法标定了轴向多光阱的光阱刚度。利用轴平面GS算法产生了轴向2×2分布的光阱阵列的全息图,捕获了2×2的二氧化硅微球阵列,对捕获过程实现了实时观测。利用视频分析法同时测量了被捕获的二氧化硅微球在轴向光镊阵列中的布朗运动,根据能量均分定理标定了轴向多光阱的光阱刚度。
【图文】：

光学元件只能产生固定的光场结构，无法编程控制，器主要有数字微镜阵列（Digital micro-mirror device, able mirror, DM）和液晶空间光调制器（Liquid crysLM）。其中，液晶空间光调制器具有非常高的光能利用以产生复杂三维结构的光阱阵列。所以，，基于液晶空术应用十分广泛。图 1.1 为基于反射式液晶空间光调制，如果将液晶空间光调制器之后所有的光学元件看作是图所在的调制平面（SLM 所在平面）位于该傅里叶透面（物镜的焦平面）位于该傅里叶透镜的后焦面，二者光镊大多使用相位型空间光调制器，因此全息光镊的调制相位全息图加载到空间光调制器，使得调制光场的光场。调制再现期望光场分布的计算机全息图（ComCGH）可以通过相关算法进行计算[18]。

图 1.2 光镊研究对象的范围[21]。Figure 1.2 The range of studying objects of optical tweezers.图 1.3 利用小球作为手柄研究生物分子的弹性信息[22]。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O439

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本文编号：2630768