納米光鑷系統(tǒng)的研制及微小力學量的測量.pdf

1、從光鑷問世至今已有二十年，它已從最初單純的捕獲操控微粒的裝置，發(fā)展成了今天集高精度操控和微小力學參數(shù)測量于一體的實驗系統(tǒng)，已經(jīng)成為生物學，納米科學和分散體系等涉及微小粒子的領(lǐng)域的一種理想研究手段。隨著這些領(lǐng)域的發(fā)展，人們對光鑷系統(tǒng)和相關(guān)實驗方法與技術(shù)不斷提出新的要求。本研究就是以滿足這種日益增長的需求為目標來展開的，包括設(shè)計研制一套全新的多功能光鑷實驗平臺——納米光鑷系統(tǒng)，探索更高精度更高效率的實驗方法。論文特別著重于對關(guān)鍵的光鑷測量技

2、術(shù)的分析研究，建立了相匹配的測量系統(tǒng)，并對目前常用的測量方法所存在的問題進行了細致的討論和探究，以期為完善和發(fā)展新的實驗方法提供有用的基礎(chǔ)。 光鑷實驗系統(tǒng)是利用光鑷技術(shù)進行實驗研究的基礎(chǔ)，我們的工作的第一步就是設(shè)計研制全新的光鑷實驗系統(tǒng)。基于對自身研究方向?qū)嶒炏到y(tǒng)的要求，確定了設(shè)計的基本考慮和目標。一是要有多個可獨立操控的光鑷，二是系統(tǒng)應(yīng)有高的操控精度和測量精度，以適應(yīng)微小粒子運動學、動力學過程和粒子間相互作用的研究。通過調(diào)研

3、國際上已有實驗裝置的經(jīng)驗，我們選擇了三光鑷的方案，并針對不同操控維度的具體條件，設(shè)計了主動操控和被動操控兩種操控模式。在滿足納米精度的操控要求下，選擇了不同精度的操控驅(qū)動方案(壓電驅(qū)動和步進電機驅(qū)動)，來完成不同維度的操控，既可以實現(xiàn)幾個光鑷同時對樣品進行納米精度的操控，又可以保證對樣品具有較大的操控范圍，同時也降低了裝置構(gòu)建的費用。為了使系統(tǒng)兼有高的空間分辨率和時間分辨率，裝置中配置了二套探測系統(tǒng)：CCD圖像探測系統(tǒng)和四象限光電探測系

4、統(tǒng)(QD)，引進或提出了一些針對不同實驗條件的實驗方法，諸如CCD圖像相關(guān)運算分析法和四象限探測器系統(tǒng)結(jié)合背散射光照明方法，并開發(fā)了相關(guān)的數(shù)據(jù)分析軟件。論文還討論了光阱剛度標定問題，分析比較了不同方法的精度和特點，在此基礎(chǔ)上為系統(tǒng)配置了合用的標定方法。實際應(yīng)用表明，所建立的納米光鑷系統(tǒng)的位置定位精度和探測精度已經(jīng)達到了亞納米量級，微小力的測量精度達到了亞皮牛量級，滿足了微小粒子個體行為研究的需求。 在微小粒子個體行為的研究中常需

5、要測量粒子運動過程中的微小力學量，比如位移和力等物理量等。這時測量精度具有頭等重要的意義。論文著重研究了微粒位置和微小力的測量方法，特別是微粒位置的精確測量問題，它不僅是運動學的基本物理量，也是光阱剛度標定的基礎(chǔ)。論文圍繞這一中心問題，重點研究了采集系統(tǒng)帶寬和剛度標定實驗中樣品的縱向偏移這兩個參數(shù)對實驗測量帶來的影響。由于樣品在液體環(huán)境中所做布朗運動的頻率很高，而任何采集系統(tǒng)的帶寬都是有限的，都要比布朗運動的帶寬低幾個量級，因此使用這些

6、采集系統(tǒng)都會損失一定的高頻信號，對應(yīng)在光鑷系統(tǒng)中就會導致實驗中所測量到的位移具有較大的誤差。通過使用Monte-Carlo數(shù)值模擬方法，我們從時域的角度研究了不同的實驗條件下，采集系統(tǒng)曝光時間的有限長度(或帶寬不足)給位置測量和使用熱運動分析法進行剛度標定帶來的影響。從這一視角進行的分析是對傳統(tǒng)的頻域分析的補充。通過對數(shù)值模擬結(jié)果的分析，我們討論了帶來誤差的原因，以及使用熱運動分析法來標定剛度時所需要的帶寬。 影響光鑷測力精度的

7、重要因素是其剛度標定。在文獻中很早就報道過這樣的一個現(xiàn)象：當光阱中的粒子受到橫向外力(通常為粘滯力)作用時，不僅在橫向上會偏離光阱中心，而且在縱向上也會出現(xiàn)一個偏移。但是一直以來，很少有人對這個現(xiàn)象及可能給實驗研究帶來的影響進行系統(tǒng)的研究。我們首先從實驗上測量了光阱捕獲的粒子在橫向外力下的縱向偏移量與橫向偏移量之間的關(guān)系。實驗結(jié)果表明：樣品受到橫向力作用時，新的平衡位置并不是與光阱中心處在同一水平面，其縱向位置隨著橫向位移增加而升高。我

8、們進而使用幾何光學模型分析光阱中微粒受到的光阱力的分布，由此計算了微粒的縱向平衡位置軌跡，計算結(jié)果與實驗測量的結(jié)果一致。由于這個現(xiàn)象與使用流體力學法進行橫向力測量的前提假設(shè)相矛盾，因此必然會給測量結(jié)果帶來誤差。然而，分析也表明，在使用流體力學法標定光阱橫向剛度時，只要保證樣品的橫向位置不超過一定的值，其誤差可以忽略；但對最大橫向阱力的測量，流體力學法所測量到的實際上是逃逸阱力，這個值比實際的最大橫向阱力要小很多。上述討論表明，為了更精確