摘 要

光纤光镊是一种基于光纤的光镊技术。这种技术主要依靠制备出高品质的光纤探针。因此如何高效制备优质探针成为重要的研究课题。

本文基于新月面腐蚀法对比了静态新月面腐蚀法和动态新月面腐蚀法的特点。结果表明：动态腐蚀法比静态腐蚀法能制备出更加光滑的光纤探针。而且动态腐蚀法比静态腐蚀法能够更好地控制光纤探针的几何形状以及锥角的大小。

本文成功地用制备的光纤探针进行了酵母菌细胞的捕获实验，并且测出了光纤光镊捕获酵母菌细胞的一组实验数据。结果表明：在一定范围内，光纤光镊的捕获力的大小与激光功率呈线性关系。在捕获实验中遇到的一些新问题。这些问题的解决，对于之后的研究具有重要的意义，并且对于测量捕获力的研究提供一些有价值的建议。

关键词：光纤光镊；光纤探针；化学腐蚀法；捕获力

Abstract

Optical fiber tweezers is an optical fiber-based tweezers technology. This technique mainly relies on the manufacture of high quality fiber optic probes. Therefore, how to efficiently manufacture high-quality probes has become an important research topic.

This article compares the characteristics of the static meniscus etching method and the dynamic meniscus etching method based on the meniscus etching method. The results show that the dynamic etching method can produce a smoother fiber probe than the static etching method. Moreover, the dynamic etching method can control the geometry of the fiber probe and the size of the taper angle better than the static etching method.

In this paper, yeast cell capture experiments were successfully performed using fabricated fiber-optic probes, and a set of experimental data for the capture of yeast cells by optical fiber tweezers was measured. The results show that the linear relationship between the trapping force of the optical fiber tweezers and the laser power is within a certain range. Some new problems encountered in yeast cell capture experiments. The solution of these problems is of great significance for the subsequent studies and provides some valuable suggestions for the study of the measurement of the capture force.

Key words: optical fiber tweezers;fiber-optical probes;chemical etching method;capture force

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 概述 1

1.2 光镊的原理 1

1.3 光纤光镊技术的背景 1

1.4 近场扫描光学显微镜中的光纤探针 2

1.5 光纤探针的几何结构 2

1.6 本文的研究内容 3

第2章 光纤探针制备方法 4

2.1 光纤探针的制作方法 4

2.2 光纤探针的腐蚀法制备原理 5

第3章 静态腐蚀与动态腐蚀 7

3.1 静态腐蚀 7

3.1.1 静态腐蚀的实验内容 7

3.1.2 静态腐蚀的实验结果 7

3.1.3 静态腐蚀的结果分析 8

3.2 动态腐蚀 9

3.2.1 动态腐蚀的实验内容 9

3.2.2 动态腐蚀的实验结果 9

3.2.3 动态腐蚀的结果分析 11

3.3 两种腐蚀方法的结果对比 12

第4章 捕获实验以及捕获力的测量 13

4.1 捕获实验 13

4.1.1 捕获实验装置 13

4.1.2 捕获实验内容 13

4.2 数据处理及结果分析 15

第5章 总结 17

参考文献 18

致 谢 19

第1章 绪论

1.1 概述

20世纪60年代，激光器的问世，为人们提供一种高简并度的光束，这种光束使得光镊技术得以诞生。Ashkin于1986年发表第一篇单光束光镊的论文。30多年间，光镊从鲜为人知，只能操纵微米量级的细胞到现在实现对单分子亚纳米精度的测量，极大地促进定量生物学的研究^[1]。除此之外，许多领域的科学家都渴望光镊技术这种强大的工具。

光镊一问世，科学家们就预感用光力控制微米尺度微粒的技术具有不可估量的发展前景和应用潜质。近30年来，基于单光束光力可控微粒的应用研究，确实证明了该技术的独到和不可或缺的价值及其广阔的应用领域。光镊的应用可归纳为四类，即光镊与细胞生物学、光镊与单分子生物学、光镊与胶体科学以及光镊与物理学4个学科领域，光镊在这些领域已成功解决了许多的重大科学问题。所以光镊技术的前景具有很好的发展空间。

1.2 光镊的原理

光镊是利用光的物理性质，实现对微小粒子的操控的一种工具。相比于传统的机械镊子，光镊以其非接触的方式完成夹持和操控，这对于生物医学研究具有突破性的意义。在光镊的光斑中心一定区域，粒子落入其中就会有自动移向光斑中心的趋势。

处于光阱中的介质小球主要受到梯度力和散射力的作用。

梯度力来自介质小球自身的电偶极矩在不均匀的电磁场中受到力的作用。其正比于光强的梯度，指向光场强度最大处。其效果是使粒子朝向光功率密度最大的地方移动。

散射力来自在散射过程光子动量改变产生冲量，介质对光子的作用导致光子动量的改变。散射力的方向沿着光的传播方向，作用效果使粒子沿着光的传播方向运动。

理论分析表明在单光束梯度力光阱中，在焦点附近各个方向的偏离都会产生趋向于焦点的梯度力回复力。所以梯度力使小球能够稳定在焦点附近，类似于弹簧力^[2]。