1. 研究目的与意义（文献综述）

光具有能量和动量，经典光学的研究方向主要是磁辐射本身，在近代光学的发展中，和物质相互作用越来越成为一个热门且十分重要的研究内容。激光的发明，为研究光与物质相互作用提供了一种崭新的光源，光镊技术便应运而生。光镊又称单光束粒子阱，是美国科学家ashkin于1986年发明的，简单来说，光镊就是用一束高度汇聚的激光形成的三维势阱来俘获，操纵微小粒子，在微米到纳米尺度的单个微粒操控技术中，光镊相比于磁镊，原子力等技术有独特之处，首先是光镊是非接触性的，不会有机械损伤；光的穿透性让光镊有“隔墙取物”的功能；光镊的工作环境一般是在液体中，特别适用对活细胞及生物大分子的操控；光镊技术的兼容性强，能与多种光学技术结合，这些特点使得光镊技术在科学迅速发展的21世纪成为科学研究中不可或缺的技术手段之一。光镊技术的理论主要是利用各种计算方法研究聚焦光束与微粒的相互作用力，首先就是单光束梯度力阱与微粒的相互作用及其对微粒的控制；单光束梯度力阱理论是光镊理论的基础，从原理上研究单光束梯度力阱能清楚地理解光俘获机理和影响光阱力的因素；从工程方面，理论研究可以指导如何提高光镊的品质，如何优化光镊仪器，由此可见，了解如何计算光阱力对实际应用有很大的指导意义。

在光阱力的理论模型中，根据入射激光波长与微粒半径之间的比例关系有着不同的模型，在这些模型中，几何光学模型对于尺寸远大于波长的微粒的计算有一定的参考价值，但作为一种近似方法，它虽然不能反映高数值孔径物镜对光束聚焦的衍射效应，也不能反应电磁场与微粒相互作用的谐振现象，但理论计算简单是它的一大优势。透镜式光纤是一种端面半球形，高数值孔径的透镜结构，利用这种结构，出射光经过端面聚焦可以得到很强的聚焦场，对微粒产生很强的光力，而且光纤传输激光短程内损耗低，出射光场呈特性分布，用光纤做光镊可以避免固定光阱的限制扩展了光镊的使用范围。

光镊技术自发明以来，一直在引领着科学技术的变革，在应用方面，主要是在生物医学，化学，及依赖激光的显微成像技术上，由单光镊到多光镊， 线性光镊到旋转光镊，光镊的应用范围越来越广，种类也越来越多。在理论研究方面，ashkin首先应用几何光学模型对光镊进行研究，后人在ashkin方法的基础上，又提出了光线追迹法和矢量光线追迹法，这两种方法不仅可以计算球形微粒，而且可以方便的计算不同形状的微粒。 gussgard结合高斯光束标量理论，计算了强聚焦光束对微粒的捕获力，国内学者在这些基础上进行了对微粒所处环境、 捕获微粒形状、 性质及入射光束模型不同的研究，提高了几何模型的应用范围，但是对于微粒的形状对称性不高和折射率分布不对称的情况，直接用几何光学模型来计算相对复杂，近年来，计算机硬件水平的提高，算法的不断优化，利用fdtd，fem，glmt等算法在计算机软件中运行，加大了几何模型能计算的范围，同时t矩阵法，dda，mom,cdm这类数值计算方法，可用于不同性质的光束（基模高斯，lg及偏振光束等）进一步为光镊技术提供了宽领域的发展，但目前的研究都一般没有考虑吸收的光子有可能使得微粒发生能级跃迁、射荧光等效应，这类材料的研究还不是很深入。

2. 研究的基本内容与方案

本次研究主要是利用几何光学的方法来研究透镜式光纤（端面透镜的曲率半径为R，半球形）与米氏粒子（指直径大于10倍光波长的微粒）之间的光作用力。研究的基本内容有：1.了解光纤光镊的基本概念及其原理；2.研究激光与米氏粒子的相互作用力计算方法——几何光学方法；3.利用几何光学的方法，推导透镜式光纤与米氏粒子的作用力的计算公式；4.利用计算机软件计算透镜式光纤光镊与米氏粒子之间的作用力，基于此分析端面透镜的曲率半径R，粒子尺寸对作用力的影响。

根据研究的主要内容，首先要研究的就是激光经过透镜式光纤后，出射光场的分布特性，分析透镜曲率半径R对出射光场的影响。了解光场特性后，建立几何光学的模型，先计算单根光线入射到微粒表面后，经过多次反射折射后对微粒的散射力和梯度力，通过积分可以得到所有会聚光束对微粒的作用力，推导出计算公式。最后利用Maltab编程来计算这个作用力，分析其中透镜曲率半径R，和粒子尺寸对作用力的影响。

3. 研究计划与安排

第1~3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需背景知识（光纤光镊的概念、原理与发展概况，作用力的计算方法），完成开题报告。

第4~5周：翻译ashkin关于几何光学方法的文献，学习激光与米氏粒子相互作用力的计算方法。

第6~7周：翻译taguchi等人利用光纤捕获介电粒子与生物细胞的文献，学习激光经过透镜式光纤后，出射光场的特性，分析曲率半径r对出射光场的影响。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 李银妹，姚焜著，光镊技术[m]，北京：科学出版社，2015年.

[2] a. ashkin , forces of a single-beam gradient laser trap on a dielectric sphere in the ray optics regime [j], biophysical journal ,1992,61:569-582.

[3] k. taguchi, h. ueno, t. hiramatsu and m. ikeda, optical trapping of dielectric particle and biological cell using optical fibre [j], electronics letters, 1997, 33(5): 413-414.