液体中吸收性颗粒的光捕获特性研究

发布时间：2020-06-07 14:00

【摘要】：1986年,Askin发明了用聚焦的高斯光束实现微小生物粒子的捕获及操纵的单光束光镊技术,自此开启了微观操纵的大门,40多年来,光镊技术已是生物学、物理化学和凝聚态物理中不可或缺的工具。光镊技术主要为两种,一种基于梯度力与散射力,此类光镊技术能实现对高折射率粒子的操控,目前广泛应用于生物细胞、生物大分子、胶体微粒以及纳米金微粒等的研究中;另一种基于光泳力,针对介质中吸光性粒子进行捕获,在医学、药理学、大气科学及行星运动中有着广泛的应用前景。目前针对吸收性粒子的光镊技术多为实现粒子于空气中的捕获及输运,而在液体中操控吸收性粒子的研究依然停留在二维层面。液体中操控强吸收性粒子的主要困难在于,粒子被光照明的一侧会吸收更多的能量从而诱发正向光泳力,将粒子推离光源,无法实现稳定捕获。针对液体中吸收性粒子捕获的研究现状,本文提出基于光泳力的针对液体中吸光性粒子的光学捕获技术。理论上,对粒子受力进行了分析,详细推导并求解FΔα型光泳力大小的数量级,实验上,通过设计一套双路实时监测光镊系统,实现液体中吸收性粒子的三维捕获以及轴向微位移,并对粒子荧光温度场进行了拍摄以及数据处理。本文对吸收性粒子的三维捕获以及轴向位置操控提供了一种非接触、高精度的控制方法,为研究液体介质中吸收粒子的独特特性提供了可能性。主要做了以下研究:1、常规的基于辐射压与梯度力的光镊技术并不适用于强吸收性粒子的捕获,本文提出了针对强吸收性粒子捕获的光泳力光镊技术方案,并进行了理论公式的推导。之后基于Thorlabs笼式光学组件设计并搭建了一套空间光光镊系统,利用该系统实现了液体环境中单一吸收性粒子的捕获及三维操控。通过改变光功率的大小,实现了粒子沿光束传播方向的位移操控,操控精度可达纳米量级。2、设计并搭建出侧视-仰视双视场实时观测系统,实现了对所捕获的吸收性粒子于侧方以及下方视角的同时观测。完善了侧视荧光激发模块的设计,实现了对液体环境中所捕获吸收性粒子的荧光温度数据的记录。3、为了探究不同聚焦程度的光场对吸收性粒子的捕获效果影响,借助三维建模及3D打印技术,对光镊系统中的捕获物镜进行更换,实现了粒子轴向位移距离的展宽,并探究了光功率、轴向位移量以及光阱刚度三者间的关系。
【图文】：

图 1.2Ashkin 和他的同事利用光的辐射压实现微粒操控（a）硅微粒在光场中受光辐射压力沿传播方向作加速运动 （b）两束相对传输光实现水中透明粒子的光夹持图 1.3 强聚焦激光束对水中悬浮的 10μm 小球实现三维捕获自 Ashkin 的开创性工作之后，光镊这种具有三维捕获能力的光阱，能够实现非接触式捕获以及三维操纵相对高折射率的微粒，且正常操纵范围内光源功率输出不会对粒子造成损伤，能够保持生物粒子活性，并具备 pN 量级的微小力测量，这些在生命科学中的应用潜力，使得光镊引起科学界极大兴趣。国际上，Beckman 研究室、普林斯顿大学、Rowland 科学院、Stanford 研究中心、海德堡大学等首先展开了对光镊的研究[22]。

哈尔滨工程大学硕士学位论文对活体物质进行无损伤的操纵[23,24]。同时，由于此种捕获仅由一束激光打造，，所以也称单光束梯度力光阱，即光镊，如图 1.3 所示。图 1.2Ashkin 和他的同事利用光的辐射压实现微粒操控（a）硅微粒在光场中受光辐射压力沿传播方向作加速运动 （b）两束相对传输光实现水中透明粒子的光夹持
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O439

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本文编号：2701527