摘 要

光镊是一种利用光束作用力对粒子产生动量传递来实现非接触操纵粒子的新型光学捕获技术，在生物学、光电子科学等领域中有着非常重要的作用。通常光镊技术是利用激光微束对粒子产生的梯度力对介电生物细胞或金属粒子进行捕获。随着光镊技术的应用领域越来越广泛，光镊的种类也越来越多。各种光镊都各自需求不同而表现出来的捕获特性也有差异，其中倒置显微式光镊和单光纤光镊在是目前比较常见的两种光镊。而对不同特性的微粒进行光学捕获时所需选择的光镊系统也各自不同，因此对各种光镊系统的捕获特性及应用范围的了解对微粒光学捕获相关工作十分重要。

本文主要对光镊系统的捕获机理和以射线光学理论为基础的米氏散射区内微粒受到的光阱力理论模型进行了介绍，并描述了倒置显微式光镊和单光纤光镊的特点及应用范围。并通过对数值仿真结果的对比，分析了两种光镊在特定系统参数下捕获粒子时所表现的捕获能力的异同。

关键词：光镊；光阱力；激光微束；微操纵

Abstract

Optical tweezers are a new type of optical capture technology that uses the force of the light beam to generate momentum transfer to the particles to achieve non-contact manipulation of particles. It has a very important role in the fields of biology, optoelectronics science and so on. Generally, the optical tweezers technique uses the gradient force generated by the laser micro-beam to the particles to capture the dielectric biological cells or metal particles. As the application field of optical tweezers technology becomes more and more extensive, there are more and more types of optical tweezers. Various optical tweezers have different requirements and show different capture characteristics. Among them, inverted microscopic optical tweezers and single-fiber optical tweezers are two common optical tweezers. The optical tweezers required for optical capture of particles with different characteristics are also different. Therefore, understanding the capture characteristics and application scope of various optical tweezers is very important for the work related to optical capture of particles.

This paper mainly introduces the capture mechanism of the optical tweezers system and the theoretical model of the light trap force on the particles in the Mie scattering area based on the ray optics theory, and describes the characteristics and scope of application of the inverted microscopic optical tweezers and single fiber optical tweezers. By comparing the numerical simulation results, the similarities and differences of the capture capabilities of the two optical tweezers when capturing particles under specific system parameters are analyzed.

Key Words：Optical tweezers；Optical trapping force；Micro-beam laser；Micromanipulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 光镊技术研究背景 1

1.2 光镊技术研究目的与意义 3

1.3 本文主要研究内容 4

第2章 光镊工作原理 5

2.1 光镊光学的基本原理 5

2.1.1 光辐射压力 5

2.1.2 梯度力和散射力 5

2.1.3 基于激光微束的三维光学势阱 6

2.2 光镊的分类 7

2.2.1 倒置显微式光镊 8

2.2.2 单光纤光镊 9

2.3 光阱力理论模型 10

2.3.1 射线光学模型 10

2.3.2 流体力学法 13

第3章 倒置显微式光镊与单光纤光镊的比较 14

3.1 倒置显微式光镊对粒子的捕获 14

3.2 单光纤光镊对粒子的捕获 16

3.3 倒置显微式光镊与单光纤光镊捕获能力对比 18

第4章 总结 20

参考文献 22

致 谢 24

第1章 绪论

随着上世纪60年代第一个红宝石激光器的诞生，激光技术已经发展为一个十分热门且又前沿的光学学科，其中基于激光微束光阱效应的光镊技术已被认为是光学微操控研究中的有力工具。顾名思义，光镊技术是将激光微束作为一种“光学镊子”任意夹取一个粒子对其扫描，并进一步研究粒子基本结构与规律的技术。目前，光镊技术已经得到了世界各地研究人员和学者们的广泛关注，这一技术在生物科学、物理学和 光电子学科等众多领域都得到了深远的发展。随着对粒子操控等相关应用的需求日益提高，对光镊技术的研究也成为了科研人员和学者们的热门话题。

1.1 光镊技术研究背景

1970年，Ashkin^[1]在他的开创性研究中发现单光阱产生的梯度力能够捕获微粒样品，并首次提出光镊这一概念。随着光镊技术的迅速发展，在生物学工程、光电子科学等各个领域中光镊技术都得到广泛应用，并且大到几百微米和小到亚微米级的粒子都可以利用光镊技术来进行光学捕获及操控。

通常，光镊是由一种在中心周围有一个捕获区域的特殊光场所构成。当微粒进入到捕获区域时，会受到一个牵引力的作用并固定到一个特定的位置，从而实现光学捕获的效果。光镊技术相比于传统的微量级操控技术有许多独特的性质和优点。例如，光镊是使用特殊的激光微束对微粒进行捕获，其过程是非接触式的，从而避免了传统机械操控过程中工具在操控时可能造成的机械损伤。同时，在用光镊对微粒进行光束捕获时，激光微束产生的牵引力并非作用于局部位置而是微粒整体，因此在捕获过程中不易使微粒结构发生变化。此外，光镊系统中的光学器件与其作用微粒的距离往往远大于微粒本身的尺寸，因此在进行光学捕获时也不容易破坏粒子周围的环境。