三维结构涡旋光势阱的产生方法研究

发布时间：2020-03-22 20:49

【摘要】：涡旋光束是一种具有螺旋波前相位结构的新型光束。光束具有呈暗中空环形光强分布和携带有定量轨道角动量的特性使其可以囚禁和旋转胶体粒子甚至活体细胞。涡旋光束诸多新颖的特性,掀起了一阵研究的热潮,现已被应用于光通信、量子信息编码、微测量、生物医学和显微成像等各个领域。相比于传统的高斯光束光镊,涡旋光束光镊不仅可以束缚高折射率的吸收性微粒,微粒在中空光强中因没有热效应而不会受到损害。本文是基于对涡旋光特性研究的基础上,研究涡旋光在光镊领域的应用。结合涡旋光和光镊技术,提出一种利用空间光调制器(SLM)的计算全息法实现一个相位图产生多涡旋光束阵列的技术。通过调制SLM上的相位图,可以任意控制阵列涡旋光的出射角度,并在纵向的不同平面内聚焦,从而形成任意空间结构的势阱以囚禁和操纵微粒。此外,调制器的灵活性使得势阱的空间结构可以动态的变换,提升了涡旋光操纵的自由度和灵活度。系统高效、灵活、实时,提升了光镊技术的应用范围和使用效率,也为涡旋光阵列应用于超分辨显微镜提供了一种可能。论文的主要研究工作如下:首先,介绍了涡旋光束和光镊技术国内外的发展现状,从几何模型和电磁场模型分析光镊技术的原理,以及其在光操纵中的实现和在生物学、细胞学等领域的应用。其次,从电磁场和波印廷矢量的角度出发,分析涡旋光束的基本原理和相关特性,介绍了几种常见的涡旋光的类型和应用。对比几种涡旋光的产生方法之间的优劣性。紧接着结合涡旋光与光镊技术,理论上分析涡旋光对粒子操纵的原理,并简要介绍LCOS-SLM调制涡旋光的原理。同时基于LCOS-SLM的计算全息法原理,设计出一个方案可以任意调制涡旋光阵列的出射角度和聚焦平面。最后,根据本文提出得设计方案,进行仿真和实验对比,对实验结果进行分析。实验结果基本与理论相一致,实现了阵列涡旋光在二维平面的任意结构分布。本文最后总结了工作中存在的问题及改进,以及展望该创新在超分辨系统中的应用。
【图文】：

聚焦光束,散射粒子,光束,粒子

当透明微粒尺寸较大，远大于光波长（0＞＞／0时，满足Ｍｉｅ散射条件，可以忽略衍逡逑射效应，用几何光学的原理来解释光束对粒子的散射力和动量的转换。假设透明粒子的折逡逑射率大于其周围的介质溶液，，此时粒子相当于一个弱正透镜。如图１．１所示，激光光束被逡逑高数值孔径透镜会聚，聚焦于某一短焦处，光束ｄ经过粒子折射于，处，在光束与粒子作逡逑用的期间，光束将其动量传递给粒子，造成了光束方向的改变，也对粒子产生了力的作用逡逑的合作用力指向光束焦距处，这个合力也称为光束对粒子的梯度力。同时，光束经逡逑过粒子与介质溶液的界面时产生相对微弱的反射光，反射光的合力与光束传播同方向，称逡逑之为散射力。当光束对粒子的梯度力和散射力以及粒子受到的重力平衡时，粒子将被稳定逡逑的束缚在光束焦距附近。逡逑ＬＡＳＥＲ邋ＢＥＡＭ逡逑｝逦１逦１邋Ｔ逡逑ａｘｘａ逡逑Ｆａ＂Ｖ＾＾Ｆａ逡逑Ｍ逡逑图１．１邋Ｍｅｉ散射粒子在聚焦光束中受到力的作用逡逑对于尺寸远小于光波长（ａ＜＜Ａ邋）的Ｒａｙｌｅｉｇｈ粒子，用波动理论和电磁场理论来分析逡逑４逡逑

多光束,光镊,光镊技术

另外，处于电磁场中的感生电偶极子因洛沦兹力的作用，受度方向的梯度力作用。考虑到激光捕获一般在液体中进行，在这种情况动的影响，所以当粒子受到的梯度力和散射力与粒子布朗运动的动能稳定捕获在光梯度最大处。逡逑实现方案逡逑光镊逡逑的光镊只可以捕获一个粒子，光镊所需的激光功率通常只需要几个毫的粒子施加超过ｌＯＯｐＮ的力。随着研究的进一步需要，光镊对微的需求，因此多光束光镊应运而生。最基本的产生多光束的方法是通，把一束光分裂成多束独立的光束形成阵列光镊。目前主要的两种多光时扫描光镊技术和全息光镊技术。另外有多光束干涉产生光点阵列的产生阵列光镊的方法１２８１等等。多光束光镊拓展了光镊技术的应用范围ｉｌｌｕｍｉｎａｔｏｒ逦ｓａｍｐｌｅ邋ｖｏｌｕｍｅ逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH742

【参考文献】