摘 要

在传统研究工具无法满足快速发展的生命科学的要求的背景下。以激光为光源的捕获技术应运而生。这种捕获技术又被形象地称为光镊，它利用聚焦高斯光束的梯度力和散射力共同作用形成可以捕获和操控粒子的三维势阱。通过光镊技术可以实现对细胞、生物大分子等微观粒子的非接触，微损伤的精确操作。众所周知，光不仅可以传播能量还可以传递动量。在光和粒子相互作用的情况下，光动量会发生改变。根据动量守恒定律可知，粒子的动量也会发生变化而且变化量和光动量的变化量等大反向。光镊技术就是基于这一原理发明的。

本文开篇便阐述了光镊技术的背景、它在国内外的发展状况以及此次研究的主旨。接下来讲述了形成光镊的基本原理，并对动量守恒定律、光辐射压、势阱力以及势阱的分类等概念做出了详细的说明。在几何光学模型下用射线法分析了米氏粒子在高斯光的势阱中的受力情况。并在计算机上进行了模拟仿真。通过仿真结果来说明入射角对捕获因子的影响以及焦点在所处位置介质小球的受力的影响。

关键词：光镊；散射力；梯度力；米氏粒子；高斯光束；

Abstract

As traditional research tools can not meet the rapid development of life science required. So capture technology which use laser as a light source came into being. Laser Trapping technology, called Optical Tweezers which uses the scattering force and gradient force of focused Gaussian beam work together to capture and manipulate particles forming a three-dimensional potential well. By optical tweezers technology can achieve noncontact cells, biomolecules and other microscopic particles, precise operation of micro-damag. It is well known that light can not propagate energy may also transfer momentum. When light and particle interactions, the momentum of the light will change. the law of conservation of momentum shows that particle's momentum will change in the amount of light and other large momentum reversed.Optical tweezers technology is also based on the principle.

At the beginning of this paper, it explains the background of the optical tweezers technology, optical tweezers technology at home and abroad research status and the research purpose and significance.Then described the basic principle of optical tweezers technology, the law of conservation of momentum,radiation pressure, stress gradient and scattering force,the classification of potential wel. In the geometric optics model ,we can use the ray method to analysis the force of Mie particle in the trap of Gauss light .next we can do simulation on the computer.At last ,The simulation results wil show that the influence of the incident angle on the capture factor and the influence of focus‘ position on the medium small ball.

Keywords: optical tweezers; gradient force; scattering force; Mie particles; Gaussian beam

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 1

第1章 绪论 1

1.1 光镊技术的背景及意义 1

1.1.1 光镊技术产生的背景 1

1.1.2 光镊技术的意义 1

1.2 国内外光镊技术的研究状况 2

1.2.1 国内光镊技术的研究现状 2

1.2.2 国外光镊技的研究状况 2

1.3 本文研究的主要内容及意义 3

第2章 光镊技术的相关原理 4

2.1 动量守恒定律 4

2.2 光辐射压的基本概念 4

2.3 光镊的基本原理 6

2.3.1 散射力和梯度力 6

2.3.2 光学势阱 9

第3章 米氏粒子所受捕获力的理论计算与仿真 11

3.1 米氏粒子所受捕获力的理论计算 11

3.2 模拟仿真 14

3.3 仿真结果分析 14

3.3.1 入射角对单束光线的捕获因子Qg、Qs、Qt的影响 14

3.3.2 焦点处在Z轴不同位置时Qg、Qs和Qt的变化情况 16

3.3.3 焦点沿着Z轴方向时高斯光束对米氏粒子的作用力 18

第4章 总结 21

参考文献 22

附 录A 23

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 光镊技术的背景及意义

1.1.1 光镊技术产生的背景

细胞是组成生物体结构和功能的基本单元，是生命活动的基本单位，是展现生命状态全部特点的最小实体。细胞中充着细胞质、细胞液、细胞器以及各种活性粒子，它们之间相互作用决定了细胞的生命活动。而人类和地球上绝大数生物都是由细胞构成的，因此要想从根本了解生物的特性就必须从单个的细胞的分析入手。但是仍然有许多问题有待解决，例如细胞的精确结构的研究和生物粒子如何通过相互作用决定细胞的代谢和生命活动等等。随着科学技术的进步，人类已经进入了后基因时代，人们想通过研究DNA来从本质上揭示活细胞的各种生命活动和化学反应的根本原因。

在当今技术的突飞猛进的时代，为了跟上科学发展及实际生产需求的脚步。迫切需要一种新的，多角度的涵盖面广的研究方式。特别是生物科学的快速发展对相关学科提出了更加严格的要求。生命科学已经进入大分子及其复合体的新时代。为了研究大分子及其复合体的特点就需要研究单个大分子在其生命活动中的行为,然而传统的研究方法是用机械操作的方法对纳米微粒或生命细胞进行研究，在某种程度上这种操作方法破坏了研究对象及其生活环境使得得出的结果偏差很大。因而发展一种新的微损伤操作技术就显得十分重要了。光镊技术就是在这种背景下产生的。

1.1.2 光镊技术的意义

光镊技术由于它特有的性能而备受人们的关注。光镊可捕获和操控 10^-8m到 10^-5m级的微粒。而大多数生物的细胞的细胞器也是在光镊的操作范围之内。再加上光镊的捕获和操控是非接触的，微损伤的。使得光镊在对细胞及细微粒子的研究中得到了广泛的应用。我们可以用光镊将单个的细胞分离出来进行单独研究，这样可以得到到更加准确的实验结果，在弄清楚单个细胞的生命活动的相关特征后就可以更好的了解生物的生命活动^[1]。

1.2 国内外光镊技术的研究状况

1.2.1 国内光镊技术的研究现状

国内的光镊技术虽然起步较晚但是，相关研究所较多。如中国科技大学的光镊研究实验室是国内第一个研究光镊技术在生物科学应用的机构^[2]。经过不懈的努力，他们不仅在理论层次上对光在与微小粒子作用时粒子的受力情况进行了定量分析而且还成功构建了适用于捕获和操控粒子（细胞量级的）的光镊操作系统.^[3]21世纪初期。李银妹等科学家团体成功地将其应用到光散射的观察上，在已有的操作系统的基础上从侧面射入一束激光，然后在特定的位置射入激光照射实验样品^[4]。最终使得通过样品粒子的散射光可以实现显微镜成像。正是这项工作成功解决了在用光镊捕获粒子的同时观察粒子状态的技术难题。极大地拓大了光镊技 术的适用领域。除此之外，研究人员还用不同波长的激光作为光源成功研制了近红外光镊，还巧妙地将光镊技术和光刀的结合在一起，并在实践中成功捕获了不同类型和大小的微小粒子和生命细胞。其他研究机构也对光镊技术进行了探索，如天津大学也对飞秒激光光镊进行了深入的研究，从而得到了更短脉冲的高功率峰值的光镊。

1.2.2 国外光镊技的研究状况

在国外研究光镊技术的机构很多如美国的哈佛大学、普林斯顿大学、法国的居里研究等都对光镊技术的原理和应用进行了深入的研究，经过科学家们的不懈努力使光镊技术应用到更多的领域，当然也促进了物理学，生命科学以及相关学科的快速发展^[5-6]。尽管如此光镊技术的形成还是经历比较漫长的时间。