摘 要

本文通过多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics三维模拟研究微粒尺寸、折射率、纤芯尺寸、微粒与微纳光纤的间距四个因素对微纳光纤捕获和输送酵母菌细胞能力的影响。通过仿真发现，通有激光的微纳光纤表面产生了倏逝波。受其影响的微粒会在光梯度力的作用下被捕获到光纤表面，并在光散射力的作用下沿着激光传播方向运动。

进一步仿真和分析结果表明， 当其他条件一定时：1、在一定范围内，随着微粒尺寸的增大， 其所受光梯度力和光散射力都增大；2、当微粒的折射率小于包裹着它的水的折射率时，光梯度力表现为排斥力，当微粒的折射率大于水时，微粒才会被光梯度力捕获到光纤表面，且光梯度力和光散射力的大小都随微粒与水的折射率之差的增大而增大；3、在一定范围内随着光纤半径的减小，其表面倏逝波的分布范围和强度都变大，光散射力也随之增大，但微粒所受到的光梯度力只随微粒半径和光纤半径之差的减小而增大，且两者相同时光梯度力达到最大值。4、在一定范围内，随着微粒与纳米光纤的距离增加， 微粒所受光梯度力和光散射力都减小。

关键词：COMSOL；微纳光纤；倏逝波；光捕获和光操控

Abstract

In this work a finite element simulation software COMSOL Multiphysics has been carried out to analysis the trapping and delivery capabilities of different diameter nanofibers and the effect of particle’s diameter, refractive index, and the distance from the NF. With the assistance of a laser beam, nanoparticles suspended near NF in water were successfully trapped by the gradient force induced by the evanescent wave field, then propelled along the surface of NF because of the scattering force.

Further research shows that, when other variables remain unchanged: 1. The gradient force and the scattering force both decrease with the incensement of nanoparticle’s diameter. 2. When the refractive index of nanoparticle is smaller than water, the gradient force will push it away from NF, only when the refractive index of nanoparticle is larger than water will it be trapped by the gradient force. Both gradient force and scattering force increase when the difference between the two refractive index increases. 3. The scattering force increase as the diameter of NF decreases, because energy density outside the NF will be larger. The gradient force, however, increases when the difference between the two diameters decreases, and reaches a maximum value when two diameters are the same. 4. When the distance between NF and nanoparticle increases both optical forces decrease.

Key Words：COMSOL；Nanofiber；Evanescent wave；Optical trapping and manipulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 光操控的发展史及前景 1

1.2.1 光镊在光操控中的应用 1

1.2.2 倏逝波在光操控中的应用 2

1.2.3 光泳在光操控中的应用 2

1.2.4 光操控的研究前景 3

1.3 课题的研究意义 3

1.3.1 课题的选择 3

1.3.2 研究目的 4

1.3.3 研究内容 4

第2章 光捕获力计算的理论与方法 5

2.1 理论分析 5

2.2 研究方法 6

2.4.1 有限元分析法 6

2.4.2 实现方案 6

第3章 仿真模型的建立 8

3.1 软件简介 8

3.2 操作步骤 8

第4章 研究结果及分析 11

4.1 网格细分等级取值 11

4.2 光纤表面的场分布 11

4.3 微粒尺寸的影响 12

4.4 微粒折射率的影响 14

4.5 光纤尺寸的影响 15

4.6 微粒与光纤间距的影响 17

第5章 结论 18

参考文献 19

致 谢 21

1. 绪论
   1. 研究背景

光能够影响物体的运动，这是在经典电动力学中早已证实了的事实。光与物质彼此间能产生相互作用，相关的研究在最近40多年里取得了巨大的成就，其中一个十分有价值的成果是被称为光捕获和光操控的技术，即利用光线来改变微小物体的运动状态。这些微小物体从原子到维纳颗粒，甚至从生物大分子到生物细胞，都能够利用该技术进行精确的捕捉和细微的位移。

光学捕捉和操控的现象可以用射线光学来解释。当激光中发出的光线进入和离开微粒时会发生折射。因此，光线离开微粒时，其传播速度与进入微粒时会有偏差，传播方向也发生了改变，导致光的能量也发生了变化。由于光子本身带有动量，这种方向上的变化说明有动量的转移。根据牛顿第三运动定律，就会有一个大小相等，方向相反的动量作用于该微粒，这会将微粒拉向光强更大的地方。

光学捕捉能够实现无损伤地操控生物大分子或细胞，可以用于细微的力和位移的测量。其特点是利用高度汇聚的激光的非接触式操作，从此解决了以往难以研究单个活体生物细胞的问题^[1]。

• 1. 光操控的发展史及前景

1.2.1 光镊在光操控中的应用

光镊的全称是单光束梯度力光阱^[2]。率先使用光操控的是Ashkin，他首次展示了在空气和真空中利用光的辐射压捕获和悬浮介电粒子^[3]。Ashkin认为，微粒在光束附近时，会受到光对它产生的作用力，这个力的一个分量是指向光强的梯度方向，被称为梯度力（Fg）；另一个分量是沿着光传播的方向，称为散射力（Fs）^[4]。