光摄技术是利用强会聚光束与微粒之间线性动量的传递实现了光对微粒的三维捕获及操控,这种操控具有非接触式操控、无机械损伤、不干扰粒子周围环境等优点。由于光镊技术可以对微粒子的皮牛顿量级力进行捕获和操控，光镊技术已广泛应用在生物医学和物理学等领域，比如利用光摄操纵细菌和病毒^[1]、利用光学微操作实现对单条水稻染色体的分选^[2]、研究血管性假血有病因子的去折叠和折叠过程^[3]、对活体内血红细胞进行实时观察和操控^[4]、细胞融合^[5]、双光束直接拉伸细胞进行细胞膜的弹性测量^[6]等。

Ashkin 在1986年通过单束强聚焦激光形成了三维梯度力势阱并成功地完成了对介质微粒的稳定捕获^[7]，也就是现在的光镊。在理论方面的进展，有Ashkin对单光束梯度力的研究^[8]、对双负介质球的作用力分析^[9]等。近些年，主要对不同粒子在光摄中的受力进行分析。比如研究瑞利粒子在贝塞尔光束中的轴向力，并进行不同参数对其运动状态影响的实验^[10],相应的还有根据几何光学法进行理论分析，对米氏粒子轴向和横向力进行测量和研究^[11]等。时至今日，许多理论模拟的结果都得到了实验的验证，对米氏粒子的受力分析主要采用射线法^[27],对瑞利粒子的受力分析主要采用电偶极子法^[28]，而对中间粒子的受力分析是采用电磁场法^[29]，这些分析结果都应用于实现不同功能的光摄开发和研究之中。

起初，只有少数科研机构根据自身需要搭建光摄系统，随着理论及科技发展，各种功能、各种形式的光摄都在不断涌现。比如采用多光束进行干涉产生的光场进行捕获瑞利粒子的光摄^[12]，还有Osaka大学设计的双光束装置用来捕获肌动蛋白链^[13]，另外还有用于生物技术研究的倒置显微镜光摄等。如今，光摄的发展趋势多是结合各种新型光场实现特殊的或者复杂的操纵功能，比如对多微粒进行同时操控的全息光摄、对粒子纵向位置操控的贝塞尔光摄和进行旋转操作的涡旋光摄。

新型光场包括涡旋光束、非衍射和自修复光束等，贝塞尔高斯光束属于涡旋光束，具有无衍射和自重建性，高阶的贝塞尔高斯光束在轴上存在相位奇点，因此贝塞尔高斯光束常被用于光镊捕获中，比如低折射率粒子捕获、多粒子捕获以及粒子分选。米氏粒子在光摄理论中是最常见的，研究米氏粒子在贝塞尔高斯光场中的受力，进而分析光学系统参数（粒子大小和折射率，光束波长和阶数）对粒子受力的影响，对于光摄实验中操纵对象的形状与大小、仪器参数的选择和改善都有着不可忽视的指导意义。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：分析聚焦贝塞尔高斯光束光场分布特性，应用相关光摄原理以及光场分布知识，进行相关原理分析，总结贝塞尔高斯光束光场分布。掌握几何光学法分析光力的基本原理，进行米氏粒子的受力分析，研究米氏粒子在贝塞尔高斯光场中的运动情况，探究光学系统参数（粒子大小和折射率，光束波长和阶数）对粒子受力的影响。

目标：推导出米氏粒子在聚焦贝塞尔高斯光场中所受作用力的表达式，总结不同光学系统参数对粒子受力的影响。

技术方案及措施：通过分析贝塞尔高斯光场的分布特性，进行理论模拟，绘制聚焦贝塞尔高斯光束光场分布。进行理论模拟，绘制米氏粒子在聚焦场中的梯度力和散射力变化曲线。利用几何分析法对米氏粒子受力情况进行分析。几何光学法是求解米氏粒子捕获力的主要理论模型，首先求得单光线对微粒的捕获力，然后对受光面上所有光线作用力进行积分求和，最终得到微粒总的捕获力，进而可以研究微粒在光场中的运动情况。

[1] Ashkin A, DziedzicJ, Yamane T. Optical trapping and manipulation of single cells using infraredlaser beams[J]. Nature, 1987, 330(6150): 769-771.