摘 要

光镊技术，也称为单光束梯度力光阱，简而言之，就是利用一种高度聚焦的激光束形成的势阱来对粒子进行操纵。透镜式光纤是在光纤的端面利用研磨和抛光技术制备出一个半球形，高数值孔径的透镜结构，从而达到扩大光纤的数值孔径的目的，在这种结构的光纤中，出射光经过端面透镜聚焦后可以形成很强的聚焦场，能够对场中的微粒产生很强的光力，从而将微粒俘获在焦点附近。

几何光学模型，有时也称为射线光学模型，可以来研究这种透镜式光纤与米氏粒子（指直径大于10倍光波长的微粒）之间的作用力。本文基于几何光学模型，利用matlab编程的方法计算了透镜式光纤对米氏粒子作用力的大小，讨论了光纤端面曲率半径和米氏粒子的大小对这个作用力的影响。研究表明越小的曲率半径和越大的粒子半径对作用力的大小都有着不同程度的提升，都更有利于光镊对粒子的捕获，这对实际应用中应该如何选择参数来俘获粒子都有很大的指导意义。

关键词：光镊；透镜式光纤；几何光学模型；米氏粒子

Abstract

Optical Tweezers Technology, it is also known as force of a single-beam gradient laser trap. In short,it is optical tweezers formed by a strongly focused laser beam that control the particle as a tool.The optical fiber whose end face is the type of lens and its end face is prepared to such a structure that end face is hemispherical and with a high numerical aperture by grinding and polishing technology.In this type of fiber, incident light will create a stronger focusing field after being forced through end face of lens.The strong focusing field can make a very great optical force to the particle,thus capturing it near the focus.

Geometric-optical model,sometimes it also named ray optical model. It is possible to study the force between this lenticular fiber and the millet particle, the particle with a diameter greater than 10 times the wavelength. Based on the geometrical optical model, this paper calculates the magnitude of the force between lenticular fiber and Mie micro-particles by using matlab.And we discusse the curvature radius of optical fiber end face and the size of mie particle on the influence of this force. Studies have shown that the smaller the radius of curvature and the bigger the particle radius are different to the size of the force level of ascension,both have more advantages for the optical tweezers to capture the particles. This has great guiding significance for how to select parameters to capture particles in practical applications.

Key words: Optical Tweezers; lenticular fiber; Geometric-optical model; Mie micro-particles

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 光镊概述 1

1.2 光纤光镊概述 1

1.3 光阱力的理论模型 2

1.4 论文的主要内容 3

第2章 几何光学模型 5

2.1 光的辐射压力 5

2.2 梯度力和散射力 6

2.3 单根光线对球形微粒作用力的分析 7

第3章 透镜式光纤捕获力的计算 10

3.1 透镜式光纤出射光场的特性 10

3.2 几何模型的建立 11

3.3 Matlab数值计算 16

3.4 计算结果分析 17

3.4.1 透镜式光纤端面曲率半径对捕获力的影响 19

3.4.2 粒子半径对捕获力的影响 21

第4章 总结与展望 22

4.1 工作总结 22

4.2 工作展望 23

参考文献 24

致谢 26

第1章 绪论

1.1 光镊概述

光具有能量和动量，电磁辐射本身主要是经典光学的研究方向，而随着近代光学的发展，光与物质相互作用越来越成为一个热门而且十分重要的研究方向。但是对于普通光源来说，由于发出的光子的动量很小，光与物质之间的力的作用效应是很小的，从而对我们的研究有很大的限制。上世纪60年代初，激光技术的发明，为光与物质相互作用提供了一种新的强有力工具，光镊技术也便应运而生。光镊的全称为单光束梯度势阱，是基于光作用于物体产生的辐射压力与梯度力相互作用而形成的势阱，是美国科学家Ashkin在1986年发明的^[1]，利用高度汇聚的激光形成的势阱，我们可以用来操纵一些微小的粒子。

在微米到纳米尺度的单个微粒操纵技术中，光镊相比于其他工具，例如微型冰镊技术，磁镊技术等，都有着许多其独到之处。首先光镊是非接触式的，不会有传统的机械损伤，只要根据需要捕获样品的特性选择合适的激光波长及能量，因此对样品是十分安全的。同时，光镊仪器的所有机械部件与捕获对象的距离都远大于捕获对象的尺寸，如同远程操作一般，加上工作环境大多数是在液体中进行，所以十分适用于生物细胞，而且不会对粒子的周围环境产生影响。其次光镊技术有很强的兼容性，可以结合其它的多种光学技术，从而大大加快了光镊技术的发展。

目前，国内外都有许多学者和研究室致力于光镊技术的研究和应用，其中在应用方面主要是在生物医学，化学以及依赖光的显微成像技术上^[2]，例如以Ashkin为首的美国Bell实验室研究组，最早在1987年观察到对生物细胞，细胞器的俘获^[3]。美国Beckman研究中心将光镊与激光微束—光刀结合起来，实现诱导细胞融合^[4]。在凝聚态物理领域，Missawa等人组成的研究小组设计了一种光镊分时装置，这种装置能利用一束光产生8个独立的光阱，他们并利用这种光镊装置对乳胶微粒进行操纵^[5]。中国科学院的郭红莲和李志远教授，研究了生物膜的力学特性和植物微管相关蛋白的结合能以及对金属纳米粒子的捕获^[6]。从早期的仅仅只能操纵单个粒子的传统光镊技术，发展到现在的近场光镊，特殊光镊技术等来满足不同领域的需求，由此可见，全世界，特别是在科技发达的国家，已经有大部分科研工作者都在对光镊技术进行深入的研究，随着其他电子器件性能的提升和光镊技术的进步，光镊的应用将会越来越广泛。