光鑷的理論模型及納米顆粒的操縱.pdf

1、在微/納尺度上操縱顆粒和測(cè)量微小力學(xué)量，能幫助我們從單分子層次了解DNA彈性和蛋白折疊等生物大分子的力學(xué)信息，從單顆粒層次上研究流體動(dòng)力學(xué)作用，以及研究微/納尺度上組裝和傳動(dòng)微型機(jī)器。在眾多的微/納操縱技術(shù)中，光鑷技術(shù)具有納米級(jí)位移和飛牛量級(jí)測(cè)量精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于單分子、膠體和納米科學(xué)等領(lǐng)域。
　　 在各種應(yīng)用中，最常用光鑷的方式為基于高數(shù)值孔徑物鏡的單光束梯度力阱，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)操縱微粒。為了更好的理解和運(yùn)用光鑷技術(shù)，理論研

2、究光阱對(duì)微粒的俘獲機(jī)理和光阱參數(shù)對(duì)光阱力的影響，對(duì)于完善光鑷?yán)碚撃Ｐ?，提升現(xiàn)有光鑷性能并付諸于實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。當(dāng)微粒尺度小到納米尺度，光阱難以束縛它。光鑷操縱納米顆粒不僅是對(duì)光鑷設(shè)備性能的挑戰(zhàn)，而且在納米流變學(xué)、納米組裝、膠體體系和表面增強(qiáng)拉曼散射信號(hào)上有著重要應(yīng)用。
　　 本論文主要研究了矢量光線(xiàn)追跡的RO模型和矢量衍射-矩量法的EM模型，利用矢量衍射理論，分析了在光阱中納米顆粒的輻射力與光鑷參數(shù)的關(guān)系，并從實(shí)驗(yàn)上探索

3、三維操縱納米顆粒。在低信噪比情形下，我們研究了自相關(guān)函數(shù)標(biāo)定顆粒的光阱剛度，它適用于標(biāo)定納米顆粒的光阱剛度。
　　 關(guān)于RO模型的理論研究中，本論文應(yīng)用矢量光線(xiàn)追跡方法，統(tǒng)一分析三維方向上光阱力，簡(jiǎn)化了RO模型的計(jì)算。結(jié)合空間矢量和矩陣的計(jì)算方法，它能有效地分析偏振光束對(duì)顆粒的光阱力，彌補(bǔ)傳統(tǒng)RO模型的不足。在此基礎(chǔ)上，我們分析了玻璃-水界面球差引起的矢量光線(xiàn)追跡，利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意形狀顆粒的光阱力及應(yīng)力張量和力矩的

4、計(jì)算。對(duì)于長(zhǎng)桿狀顆粒，球差并不隨俘獲深度增大時(shí)降低光阱對(duì)它的軸向俘獲力，不規(guī)則顆粒在光阱作用的力矩下，自動(dòng)調(diào)整到顆粒長(zhǎng)軸與光軸平行的方位，這一方法拓展了傳統(tǒng)RO模型的適應(yīng)范圍。
　　 有關(guān)光鑷的EM模型的理論研究中，本論文提出了矢量衍射-矩量法的EM模型。這一模型分成聚焦光束的場(chǎng)分布、電磁散射后總場(chǎng)的分布和計(jì)算輻射力三個(gè)獨(dú)立的部分。這一模型在改變參數(shù)時(shí)，能減少計(jì)算工作量，例如改變?nèi)肷浼す夤馐孛婧臀镧R數(shù)值孔徑等參數(shù)，無(wú)需計(jì)算反映

5、微粒特性的矩陣元。通過(guò)模擬計(jì)算，得出在光阱中無(wú)法穩(wěn)定俘獲較大尺度的高折射率顆粒的結(jié)論?；谶@一理論計(jì)算平臺(tái)中，通過(guò)Rayleigh近似我們直接計(jì)算了納米顆粒的輻射力，并研究納米顆粒的輻射力與各參數(shù)的關(guān)系，得出在短波長(zhǎng)、高數(shù)值孔徑物鏡和最佳光束分布時(shí)光阱俘獲納米顆粒的力最大。通過(guò)這些理論模擬，為我們?nèi)S操縱納米顆粒的實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。
　　 根據(jù)前述輻射力的理論分析，本論文提出暗場(chǎng)照明光鑷，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀察三維主動(dòng)操縱納米顆粒。根據(jù)觀

6、察的需要，我們采用橫向激光暗場(chǎng)照明，實(shí)現(xiàn)寬視場(chǎng)、實(shí)時(shí)和長(zhǎng)時(shí)間觀察納米顆粒，并動(dòng)態(tài)觀察三維操縱納米顆粒過(guò)程。由于觀察和操縱納米顆粒在俘獲深度的相互限制，我們引入機(jī)械筒長(zhǎng)失配的球差補(bǔ)償，在較大俘獲深度上的增強(qiáng)光阱力，實(shí)現(xiàn)在光學(xué)顯微鏡下清晰觀察三維操縱直徑70nm的顆粒。
　　 由于納米顆粒的光阱力很弱，容易受到外界噪聲的影響，它的剛度測(cè)量上需要盡可能降低這方面的影響。我們研究了自相關(guān)函數(shù)測(cè)量納米顆粒的光阱剛度，作為方法的驗(yàn)證，在濾波

7、和引入外界噪聲等方面比較了功率譜法和自相關(guān)函數(shù)標(biāo)定剛度的差異，具體分析了導(dǎo)致差異的原因。剛度標(biāo)定的方法在光鑷應(yīng)用中非常重要，如何實(shí)現(xiàn)原位和實(shí)時(shí)標(biāo)定剛度，不僅能簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)過(guò)程，還能準(zhǔn)確反映測(cè)量中瞬時(shí)的力學(xué)信息。
　　 本論文從理論上較系統(tǒng)地研究RO模型和EM模型，建立一套在微/納米尺度上計(jì)算光阱力的方法。理論方法的建立有助于我們更好地理解微粒在光阱中的行為，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)研究中我們提出暗場(chǎng)照明光鑷并實(shí)現(xiàn)納米