摘 要

在光镊技术以及光纤技术的迅速发展的今天，计算光镊对于粒子的作用力对于分析光镊的效率有巨大意义，本毕业设计是关于第三类球型粒子在光纤倏势场中的受力情况的分析。目前求解这类粒子作用力只能采用电磁散射模型来计算散射场进而求出作用力，目前计算散射场能使用的一般为数值方法，通过求解麦克斯韦方程来求解光的散射场。本次毕业设计利用米氏理论计算了球型粒子对光纤倏势场的散射，并对球型粒子在光纤倏势场中的受力情况进行模拟，然后针对结果进行分析。

本文首先对光镊的基本原理以及近场光镊进行了简介，然后给出了米氏理论的计算思路，基础原理以及计算方法，对倏逝场中的球型粒子用米氏散射进行一些推导，得出了倏逝场的入射电磁场、散射电磁场和散射相位函数的对应公式，根据推导出来的结果对第三类球型粒子在光纤倏势场中的受力情况进行模拟，对得到的数据和图表进行了受力分析。

关键词：米氏理论、球型粒子、光纤倏势场

Abstract

With the rapid development of the optical tweezers technology and optical fiber technology, Calculation of the forces of the optical tweezers exert on particles has a great significance in the analysis of efficiency of optical tweezers. This graduation design is about the force analysis of the evanescent field of the optical fiber exert on the spherical particles of third type. To calculate the force, we have to use the electromagnetic scattering model, which means we have to solve the maxwell equations and calculate the scattering field first by numerical method. The graduation design calculate the scattering of the spherical particle in the evanescent field of the optical fiber using mie theory, and the force is also be calculate and then we analysis the results.

This paper give a brief introduction of the basic principle of optical tweezers and the near-field optical tweezers, and then introduct the mie theory, some deduction of the evanescent field of spherical particles with mie theory is given , it is concluded that the evanescent field of the incident electromagnetic field, electromagnetic field and scattering phase function, the corresponding formula are derived according to the results of the third type of spherical particles in the optical fiber, to simulate the stress distribution of evanescent field force analysis of the data and charts.

Key word：Mie scattering theory、Spherical particle、Fiber evanescent field

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 光镊概况 1

1.3 国内外的发展现状 2

第二章 近场光镊 4

2.1 光镊的基本原理 4

2.2 倏逝场简介 5

2.3 倏逝场产生原理 6

2.4 近场光镊简介 6

第三章 米氏理论 8

3.1 米氏理论简介 8

3.2 米氏理论的原理 9

第四章 球型粒子米氏散射的计算 13

4.1 散射系数、消光系数和散射相位函数 13

4.2入射系数、散射系数 15

4.3 散射力和梯度力计算 18

4.4 本章小结 20

第五章 结果与展望 21

5.1 球型粒子在倏逝场中的模拟 21

5.2 结果分析 21

5.3 总结体会 22

参考文献 23

附录 24

致谢 25

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着科学技术的发展，人们越来越急需对微观世界进行更多的了解，以便在工业、农业、医药、物理学、军事、科研等许多领域做出进一步的技术革新，这就需要一些更为精细的测量和操纵的工具，以解决一些与微小粒子相关的技术问题。光镊，就是这样子的一种工具，它的出现，让医学、生物学、物理学等领域的研究取得了重大的进展。光镊是基于光的辐射压力来实现的。光辐射压力这个概念，是德国科学家开普勒依据对彗星的尾巴朝向太阳这个现象做出的解释而提出来的概念。虽然光辐射压力这个概念很早就提出来了，但是却在一百多年以后的1901年才被俄罗斯的物理学家列别捷夫通过实验首次验证了光辐射压力的存在，并进行了相应的数据测量^[1]。

在20世纪中叶，因为激光的问世，光镊技术的发展得到了极大的促进。对比于普通的光源，激光拥有高度的方向性这个普通光源所没有的优点，能在光与介质相互作用的时候产生足够强的光辐射压力，这个为光镊的发明作出了重要的铺垫作用。在1970年和1971年，Ashkin分别发表了关于沿水平方向的高斯激光束中水中乳胶微球运动的观察结果^[2]和利用相对照射的高汇聚激光光束实现了对粒子的光挟持^[3]这两篇可以看成是光镊发明前奏的论文。1986年，Ashkin等人又通过单束强汇聚激光形成单光束梯度力光阱在水溶液中成功地完成了对介质微粒的稳定捕获^[4]，而且证明了这种光阱可以实现无损伤地操纵活体物质，这种光阱就是光镊。

与传统机械镊子相比，光镊具有非接触，不会产生机械损伤，隔室操作的优点。光镊捕获和操纵微粒的范围正是各种生物大分子和细胞等的尺度范围，并且可以保障各类活体生物大分子和细胞的存活环境，所以在生物学环境中拥有极高的应用价值。当然，在物理学领域中，也可以运用光镊对大分子物质进行进一步的观察和测量。此外，光镊与各类技术可以互相组合，从而运用于不同的科学领域。故而研究光镊在研究微观领域方面的作用对促进多个科学领域的发展具有很大的意义。

1.2 光镊概况

通过场的特性来划分光镊主要有两种，一种是基于传播场的远场光镊，另一种是基于倏逝场的近场光镊。远场光学主要研究的是远离光源或是远离物体的光场分布，而近场光学探讨了光源与物体表面一定范围内的光场分布。根据远近场光学原理可分别制成远场光镊和近场光镊。其中近场光镊技术利用倏逝场随距离按指数衰减的特性，不需要对入射光进行聚焦，能突破远场光镊的衍射极限的限制，实现纳米量级的捕获^[5]。此外，近场光镊技术大大简化了光镊的结构，增强其空间灵活性，有利于光镊系统小型化和集成化；由于近场隐逝波光镊捕获范围高度局域性的特点，能减小甚至消除背景光不利于观测粒子运动状态的影响，提高捕获效率；近场隐逝波光镊还克服了远场光镊中强汇聚光在一定程度对生物粒子造成的损害，有利于保持生物粒子的稳定性。这也让近场光镊成为了在单分子水平上实现对微小粒子操纵和测量的有力工具之一。近场光镊主要有全反射型倏逝场、透镜聚焦型倏逝场、平面波导型倏逝场以及光纤型倏逝场等几种类型的光镊技术。本研究中利用光纤倏逝场捕获微粒属于光纤型近场光镊。

1.3 国内外的发展现状

S. Kawata和T. Sugiura于1992年设计了一个如图1所示的模型，并根据这个模型第一次证明了可以用棱镜产生的倏逝场对微小粒子进行微操纵^[5]。但是由于小球收到的驱动力会因为随着光波的穿透深度会随着入射角增大而逐渐减小从而导致其减小的原因。加上因为以上的驱动都来自于轴向上的，而在侧面，小球并没有受到驱动力的影响，所以不会受到任何限制，所以，该模型没有能够实现对小球的捕获。

图1.1 粒子在倏逝场中的运动^[5]