摘 要

目前，近场光镊已经在生物科学、医学等许多领域中得到广泛应用。光镊以对微粒毫无损伤的方式捕获并控制微粒，而光纤隐逝场光镊更得到了研究者们的大量关注。光纤光镊有着相当灵活的空间性，也拥有着相当低的损耗率等等优点。本论文将围绕探针型光纤光镊捕获酵母菌和酵母菌在一定功率下的逃逸速度、以及该速度与功率的关系展开研究。

本文首先介绍了光镊的诞生、研究领域、研究背景和近年来的发展情况，同时介绍了几种不同类型的光镊，如远场光镊、全反射型、光纤探针型等等，并对比说明了探针型光纤光镊的特点以及优点。

在光镊基本原理部分，本论文从光压出发介绍了光镊的产生以及光镊可以捕获微小粒子的理论依据，微粒在光场当中所受到的力（散射力和梯度力）。其次介绍了三种计算粒子受力的模型，这三种模型主要是根据粒子尺寸大小来分，其中着重介绍了尺寸远小于入射光波长（即米氏粒子）时，采用的射线模型。本次实验所采用的微粒时酵母菌，适合于上述模型。

在实验部分，本文采用已经研磨好的光纤探针进行实验，光纤为980nm的单模光纤，成功捕获了酵母菌。此时采用控制变量法，固定功率，测量酵母菌逃逸速度，改变功率，重新测量。一共测量了3根光纤在不同功率下的捕获能力，发现酵母菌的逃逸速度与功率大致上呈现线性关系。这为以后光纤探针型光镊在生物科学、医学领域的发展提供了更好的平台。

关键词：隐逝场、光纤探针、射线法、捕获酵母菌

Abstract

At present, near-field optical tweezers have been widely used in many fields such as biological sciences, medicine and so on. The optical tweezers capture and control the particles in a way that no damage to the particles, and the optical fiber has been paid more and more attention by the researchers. Fiber optic tweezers have a very flexible space, but also has a very low loss rate and so on. In this paper, the relationship between speed and power of yeast and yeast at a certain power is investigated.

This paper first introduces the birth, research field, research background and recent development of optical tweezers. At the same time, several different types of optical tweezers, such as far-field optical tweezers, omni-reflection, fiber-optic probe and so on, are introduced. The comparison shows the characteristics and advantages of the probe type optical fiber tweezers.

In the basic principle of optical tweezers, this paper introduces the generation of optical tweezers and the theoretical basis for the capture of tiny particles by light pressure, and the force (scattering force and gradient force) of the particles in the light field. Secondly, three models of calculating the force of particles are introduced. The three models are mainly based on the size of the particles, which focuses on the ray model which is much smaller than the wavelength of the incident light (Mie's particles). The yeast used in this experiment was suitable for the above model.

In the experimental part, the experiment has been carried out using the fiber probe has been polished, the fiber is 980nm single-mode fiber, successfully captured the yeast. At this point using the control variable method, fixed power, measuring the speed of escape of yeast, change the power, re-measurement. A total of three fibers were measured at different power capture ability, found that the escape rate of yeast and power roughly linear relationship. This provides a better platform for the future development of fiber optic probe-type optical tweezers in the field of bioscience and medicine.

Key words: hidden field, fiber probe, ray method, capture yeast

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3光镊的分类 2

1.4本文主要工作及内容安排 5

第2章 光镊的基本原理 7

2.1光的辐射压力 7

2.2单光束梯度阱 7

2.3光作用力的计算 8

2.4本章小结 9

第3章 透镜型研磨光纤光镊探针 10

3.1 研磨光纤光镊探针基本原理 10

3.2 研磨光纤光镊的优点 11

3.3 本章小结 11

第4章 研磨光纤光镊探针对酵母菌的捕获实验 12

4.1捕获实验原理和装置 12

4.2实验测量结果及分析 14

4.3本章小结 17

第5章 总结与展望 18

5.1 工作总结 18

5.2 工作展望 18

致 谢 20

参考文献 21

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

科学技术的发展使人们看到了精细微小的微观领域中的研究价值，人们对于微观粒子及微观世界的认识不断提高，同时，这对于实验操作的要求也不断提高，也就需要研究微观世界的工具，光镊便是这样的能够操控微小粒子的工具。光镊是根据光的辐射压力也就是光压来实现光对微小粒子的捕获。

由于光的粒子学说（爱因斯坦所提出），我们认识到光的波粒二象性，即光能传播能量和动量，从而有了光压的概念。1901年，实验证明了光的辐射压力也就是光压的存在^[1]。这为光镊的出现和之后发展做好了基础。

1960年，第一台激光器的出现即激光的出现让光镊技术向前迈进了一大步。激光，与其他光源相比，有着高度的简并度，这注定了它在光镊技术上面激光会发挥更大更广泛的作用。十余年后，也就是1970年开始，Ashikn首先发表了光镊能够捕获微小粒子并能携带其移动^[2]，此后，光镊技术便飞速发展。