全息光镊系统的研制及相关研究
发布时间：2021-02-21 19:18
光镊技术是光与物质相互作用的产物,它能够以非接触的方式操控微纳米尺度的对象,并允许探测皮牛量级的力,而且测力精度甚至能达到飞牛水平,因而常作为超灵敏力探测器被广泛应用于生命科学、胶体物理、微流体等领域。光镊的研究主要集中在四个方面:其一、位置探测;其二、光阱刚度标定;其三、光束整形;其四、探究不同对象的捕获实验。本文以这四点为中心,以构建出多功能的光镊操控系统为目标,希望通过此系统以更加灵活、可控的方式实现对感兴趣对象的捕获、操控和应用研究。本论文围绕上述研究目标,逐步实现了光镊系统的两种构造方式:通过外部光路的共轭设计,成功地将反射镜控制的捕获光束引入商用显微镜（Nikon Eclipse Ti-U）的物镜后孔径处,实现对聚苯乙烯微球的手动二维操控;自主地设计并搭建开放式单光束捕获光路和显微成像装置,并对系统的物理参数进行标定,用此系统成功捕获小鼠成肌细胞,并实现其被动控制。基于这些早期的研究,本论文的主要研究工作如下:（1）提出变频率正弦激励来探究粒子在光陷阱中的动力学,澄清了正弦激励法的频率选择困扰,并理论上阐明粒子振幅和相位延迟的余弦关系;通过实验证实,只需满足奈奎斯特-香侬采...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１辐射压力作用示意图｜９Ｕ?（ａ）髙斯激光照射电介质透明球产生的光力包含散射力Ｆ？ａ，??
?第１章绪?论???ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ）纳入考量，其由材料的性质如折射率与入射光的角度有关，在此暂??不讨论，感兴趣的读者可以参阅Ａｓｈｋｉｎ于１９９２在射线光学的机制下推导光镊对??电介质小球的力值计算与分析［７８】。图１．２（ｂ）呈现了具有梯度光强（从左至右，光??强增大）的平行光入射至介质球时动量变化情况，因右侧光较强，小球所受合力??将驱动颗粒往向右偏下方向运动至光强最强处。由于此处示意图采用平行光束，??导致散射力推动颗粒沿着轴向运动，无法实现粒子的三维稳定捕获。可以认为，??散射力是导致颗粒无法稳定捕获的原因，而只有当梯度力足够大时，稳定的三维??俘获才得以实现，所以使用高数值孔径的物镜对入射平行光强汇聚是保证获得??稳定的三维光讲（ｏｐｔｉｃａｌ?ｔｒａｐ）的基矗??（ａ）?／?Ｉｒｒａｄｉａｎｃｅ?ｇｒａｄｉｅｎｔ?ａ?（ｂ）??＼?广；／卜?ａ，?／，??Ｍｏｍｅｎｔｕｍ?ｃｈａｎｇｅ?Ｍｏｍｅｎｔｕｍ?ｃｈａｎｇｅ??＊ｆｔ＊＇－＊＾?ｆｏｒ?ｒａｙ?ＡＢＣＯ?ｆｏｒ?ｒａｙ?ＡＢＣＤ??Ｑ?Ｓ?ｂｅｃｏｍｅｓ?ｆｏｒｃｅ?ＰＱ?ｂ，ｆ?＾?ｋ?ｂｅｃｏｍｅｓ?ｆｏｒｃｅ?ＰＱ??Ｒｅｓｕｌｔａｎｔ?ｐ?Ｐ??Ｉ?ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ?ｆｏｒｃｅ??Ｄ?Ｓ?Ｒｅｓｕｌｔａｎｔ??ＰＲ?＼ｃ｜?＂ｇｒａｄｉｅｎｔ”?ｆｏｒｃｅ??图１．２光镊三维操纵示意图［７７】。⑷轴向受力；（ｂ）横向受力。??１．２．２尺度相关及适用模型??上述通过射线光学和动量守恒来描述光镊俘获微粒的过程形象而深刻，然而??对于揭示光镊中光与物质相互作用的解释稍显片面。光学捕获（ｏ
?第１章绪?论???５１４．５?ｎｍ?ＬＩＧＨＴ??〃?｜，ｒ??｝?Ｔ??＇ｙｗｉ?ｒ?Ａ??ｆＵＰ??ｈ２０?＼〇ｆ??４—ＣＥＬＬ??ｎｏｎ?ｊ?＼?ｎ?〇．．—＞??＜?ｔｌＨ??图１．３经典光镊系统Ｍ。??等于它们的焦距之和，此时ＧＭＭ与Ｌ３的间距ｄｍ可由几何光学计算求得??ｄＧ，?＝?ｊｙ，?＋?ｆＡ－ｊｄ，０）．?（１．５）??式中，／３和／４分别是透镜１３与１４的焦距，‘为内置透镜１４与物镜的间距。??手动调节ＧＭＭ旋钮使其旋转一个小角度＆，计算入射至物镜后孔径的光束偏??转角度为??＝?—２＾＾．?（１．６）??对应地，光阱在物镜聚焦平面的移动量为??ｒ?＝?ｆＥＦＬ＾ｌ－?（１．７）??其中是物镜的有效焦距。选取几个典型值：／３?＝?２５０?ｍｍ，／４?＝?１８０?ｍｍ，??ｉ＾ｆＬ?＝?１．８ｍｍ，ｒｆ４０?＝?１３９ｍｍ，计算得?，其中?／■单位取米，＆单??位取弧度（ｒａｄ）。ＧＭＭ被旋转１毫弧，光阱移动量ｒ等于５微米。该方案对光阱??的移动精度取决于ＧＭＭ的旋转精度，手动调节时流畅度不够，容易导致捕获的??颗粒因抖动而逃离陷阱区域。实际中我们可以将ＧＭＭ安装在高精度的电动旋??转位移台上，通过软件发送脉冲指令控制移动量，不仅准确快速，而且可以输入??特定类型的控制信号，进行更复杂多样化的操作。比如，利用光学拉伸（ｏｐｔｉｃａｌ??ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ）研究活细胞的细胞膜受到外力作用时的形变过程，并计算其剪切模量??（ｓｈｅａｒ?ｍｏｄｕｌｕｓ）?［６１】。??２００６年，Ｊｅｆｆｒｅｙ等［８４］采用类似的思路搭建双光束光镊系统，如图１．５（ｂ）所??示。不同点
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光光镊拉曼光谱技术的鼻咽癌研究展望[J]. 谢树森,王启文,林居强,吴志伟. 福建师范大学学报(自然科学版). 2021(01)
本文编号：3044798
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１辐射压力作用示意图｜９Ｕ?（ａ）髙斯激光照射电介质透明球产生的光力包含散射力Ｆ？ａ，??
?第１章绪?论???ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ）纳入考量，其由材料的性质如折射率与入射光的角度有关，在此暂??不讨论，感兴趣的读者可以参阅Ａｓｈｋｉｎ于１９９２在射线光学的机制下推导光镊对??电介质小球的力值计算与分析［７８】。图１．２（ｂ）呈现了具有梯度光强（从左至右，光??强增大）的平行光入射至介质球时动量变化情况，因右侧光较强，小球所受合力??将驱动颗粒往向右偏下方向运动至光强最强处。由于此处示意图采用平行光束，??导致散射力推动颗粒沿着轴向运动，无法实现粒子的三维稳定捕获。可以认为，??散射力是导致颗粒无法稳定捕获的原因，而只有当梯度力足够大时，稳定的三维??俘获才得以实现，所以使用高数值孔径的物镜对入射平行光强汇聚是保证获得??稳定的三维光讲（ｏｐｔｉｃａｌ?ｔｒａｐ）的基矗??（ａ）?／?Ｉｒｒａｄｉａｎｃｅ?ｇｒａｄｉｅｎｔ?ａ?（ｂ）??＼?广；／卜?ａ，?／，??Ｍｏｍｅｎｔｕｍ?ｃｈａｎｇｅ?Ｍｏｍｅｎｔｕｍ?ｃｈａｎｇｅ??＊ｆｔ＊＇－＊＾?ｆｏｒ?ｒａｙ?ＡＢＣＯ?ｆｏｒ?ｒａｙ?ＡＢＣＤ??Ｑ?Ｓ?ｂｅｃｏｍｅｓ?ｆｏｒｃｅ?ＰＱ?ｂ，ｆ?＾?ｋ?ｂｅｃｏｍｅｓ?ｆｏｒｃｅ?ＰＱ??Ｒｅｓｕｌｔａｎｔ?ｐ?Ｐ??Ｉ?ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ?ｆｏｒｃｅ??Ｄ?Ｓ?Ｒｅｓｕｌｔａｎｔ??ＰＲ?＼ｃ｜?＂ｇｒａｄｉｅｎｔ”?ｆｏｒｃｅ??图１．２光镊三维操纵示意图［７７】。⑷轴向受力；（ｂ）横向受力。??１．２．２尺度相关及适用模型??上述通过射线光学和动量守恒来描述光镊俘获微粒的过程形象而深刻，然而??对于揭示光镊中光与物质相互作用的解释稍显片面。光学捕获（ｏ
?第１章绪?论???５１４．５?ｎｍ?ＬＩＧＨＴ??〃?｜，ｒ??｝?Ｔ??＇ｙｗｉ?ｒ?Ａ??ｆＵＰ??ｈ２０?＼〇ｆ??４—ＣＥＬＬ??ｎｏｎ?ｊ?＼?ｎ?〇．．—＞??＜?ｔｌＨ??图１．３经典光镊系统Ｍ。??等于它们的焦距之和，此时ＧＭＭ与Ｌ３的间距ｄｍ可由几何光学计算求得??ｄＧ，?＝?ｊｙ，?＋?ｆＡ－ｊｄ，０）．?（１．５）??式中，／３和／４分别是透镜１３与１４的焦距，‘为内置透镜１４与物镜的间距。??手动调节ＧＭＭ旋钮使其旋转一个小角度＆，计算入射至物镜后孔径的光束偏??转角度为??＝?—２＾＾．?（１．６）??对应地，光阱在物镜聚焦平面的移动量为??ｒ?＝?ｆＥＦＬ＾ｌ－?（１．７）??其中是物镜的有效焦距。选取几个典型值：／３?＝?２５０?ｍｍ，／４?＝?１８０?ｍｍ，??ｉ＾ｆＬ?＝?１．８ｍｍ，ｒｆ４０?＝?１３９ｍｍ，计算得?，其中?／■单位取米，＆单??位取弧度（ｒａｄ）。ＧＭＭ被旋转１毫弧，光阱移动量ｒ等于５微米。该方案对光阱??的移动精度取决于ＧＭＭ的旋转精度，手动调节时流畅度不够，容易导致捕获的??颗粒因抖动而逃离陷阱区域。实际中我们可以将ＧＭＭ安装在高精度的电动旋??转位移台上，通过软件发送脉冲指令控制移动量，不仅准确快速，而且可以输入??特定类型的控制信号，进行更复杂多样化的操作。比如，利用光学拉伸（ｏｐｔｉｃａｌ??ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ）研究活细胞的细胞膜受到外力作用时的形变过程，并计算其剪切模量??（ｓｈｅａｒ?ｍｏｄｕｌｕｓ）?［６１】。??２００６年，Ｊｅｆｆｒｅｙ等［８４］采用类似的思路搭建双光束光镊系统，如图１．５（ｂ）所??示。不同点
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光光镊拉曼光谱技术的鼻咽癌研究展望[J]. 谢树森,王启文,林居强,吴志伟. 福建师范大学学报(自然科学版). 2021(01)
本文编号：3044798
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wulilw/3044798.html
