论文总字数：20284字

摘 要

光纤光镊是一种基于光捕获效应的微观微粒操作工具，能够实现对微粒的捕获与操纵。由于光镊在对生物细胞进行捕获时，对生物细胞造成的损伤相较于其他捕获方式低许多，因此光镊技术广泛应用于生物及医学领域。除此之外，光镊还可以应用于微小力测量、传感等领域。随着光镊技术的发展，其应用将会更加广阔。与传统型光镊相比，光纤光镊具有体积小、易操作、价格低、更易实现多光镊操作的优点，然而其研究仍未达到很成熟的阶段，需要进行更进一步的研究。

针对现有技术的不足，本论文进一步研究透镜光纤光镊系统，了解光纤光镊的概念、原理与发展概况，学习常用的光阱力的测量方法，利用流体力学法测量光纤光镊的捕获力随微粒（如酵母菌）位置的变化关系，理解实验系统的组成部分及工作原理，对现有实验数据进行分析，并对误差来源进行探讨。

关键词：光纤光镊；流体力学法；光镊系统

Abstract

Fiber optic tweezers are a microscopic particle manipulation tool based on the light-trapping effect, capable of capturing and manipulating particles. When the optical tweezers capture biological cells again, the damage to the biological cells is much lower than other capturing methods. Therefore, the optical tweezers technology is widely used in the biological and medical fields. In addition, optical tweezers can also be used in the fields of micro-force measurement and sensing. With the development of optical tweezers technology, its application will be more extensive. Compared with traditional optical tweezers, fiber optic tweezers have the advantages of small size, easy operation, low price, and easier operation of multi-optic tweezers. However, their research has not yet reached a very mature stage, and further research is needed.
In view of the shortcomings of the existing technology, this paper further studies the lens fiber optical tweezers system to measure the capture force of the optical tweezers along the longitudinal and lateral directions at different particle positions; discuss the effect of the particle position on the force according to the measurement results and discuss the measurement error origin of. The fluid dynamics method (static method and dynamic method) was used to measure the relationship between the capture power of lens fiber optic tweezers and the position of particles (such as yeast). The experimental results can more accurately measure the relationship between the capture force of the optical tweezers and the position of the yeast, and analyze a series of errors in the experimental process.

Key words: Optical fiber optical tweezers; hydrodynamic method; optical tweezers system

目录

摘要 I

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 研究工作的背景与意义 1

1.2 光镊技术的发展 1

1.2.1 传统光镊技术 1

1.2.2 多光镊技术 3

1.2.3 近场光镊技术 3

1.2.4 光纤光镊技术 3

1.3 本论文的主要研究内容及意义 4

第2章 光镊的理论基础 6

2.1 光镊的基本原理 6

2.2 光阱力的计算模型与方法 7

2.2.1 射线光学模型 7

2.2.2 电磁模型 8

2.2.3 第三类粒子 8

2.3 本章小结 9

第3章 光阱刚度的标定方法 11

3.1 流体力学法 11

3.2 功率谱法 12

3.3 外加周期驱动法 12

3.4 热运动分析法 12

3.5本章小结 13

第4章 光纤光镊系统的设计 14

4.1 光纤光镊系统的总体设计 14

4.2 光纤光镊系统各组成部分的设计 16

4.2.1激光器光源的选取 16

4.2.2光纤夹持与调节机构选取 16

4.2.3显微观测系统 17

4.2.4实时监测与图像处理系统 17

4.2.5光阱力测量装置 17

4.3 本章小结 17

第5章 实验结果及误差分析 14

第6章 结论 21

参考文献 22

绪论

研究工作的背景与意义

光具有能量和动量，光与物质相互作用是近代光学的发展的重要的研究内容。20 世纪 60 年代激光的发明，为人们研究光与物质相互作用提供了一种崭新的光源。自从1970年贝尔实验室的Arthur Ashkin等人发明了光镊以来^[1]，经过发展它已经在众多领域中得到了重要的应用。在生命科学领域中，光镊常用于细胞力学的相关研究，已实现了诸多令人瞩目的研究成果。利用光镊操纵微小物体的能力，科学家可以将细菌或细胞排列成想要的形状，甚至可以直接操控DNA或细胞器。结合对捕获微粒的高精度探测能力，人们可以精确地测量为微粒位移和受力^[2]。

在国内范围内，中国科技大学李银妹教授是光镊领域内的先行者，她的研究团队用单光纤光镊实现了拉伸微球，得出了红细胞的弹性模量，并分选出了单个水稻染色体^[3]。另外，国内对于光镊部分的研究还包括：基于微光学器件及原理的相关光镊技术，双光镊测定蛋白质的相互作用、光镊技术研究粘附动力学、双芯光纤的光镊研究等^[4]。在国外范围，单透镜光纤陷波是二维操纵中最简单，最有效的方法。可以通过此种方法测量被捕获粒子的运动速度与位移的关系^[5]。 由Guck等人研究并首次提出了双光束光镊，其主要构成为两个相向传播的激光光束，证明了在两束激光陷阱中拉伸软生物电解质的可能性，得到了对于单个细胞的捕获和拉伸效果^[6]。自从首次演示使用两束稍微聚焦的反向传播激光束进行光捕获以来，已经报道了许多光学陷阱的实现方案，包括单光束梯度力阱（光镊），二极管激光阱以及最近的三维光纤光阱。从光纤末端射出的两个高斯光束用于在沿光束传播轴上精确地平衡来自每个光束的散射力的位置处形成陷阱。这项工作成功地限制了微米大小的介电粒子，并测量了光阱的有效弹簧常数^[7]。相比较基于显微镜的传统光镊，光纤光镊具有体积小、易操作、价格低、更易实现多光镊操作的优点，然而其研究仍未达到很成熟的阶段，需要进行更进一步的研究。

光镊技术的发展

1.2.1 传统光镊技术

光镊技术是指通过激光束对物体产生作用，移动激光光束从而使物体随之移动，达到操控物体的目的。光既具有能量也具有动量，当光照射到物体上时，会发生反射、折射和吸收现象，此时光的动量发生了改变，与此同时物体的动量亦发生改变，表现为物体会受到力的作用，即光压（光辐射压力）的作用。传统的镊子是有形的，它通过机械接触操纵物体；而光镊操纵微小物体的方式是非机械接触式的，可以对微粒进行无机械损伤的操作。

20世纪70年代，贝尔实验室的Arthur Ashkin等人观察到了光辐射压力，实现了使用激光悬浮微粒。此外还首次使用了两个反向传播且同轴排列的激光束来实现稳定的光学陷阱，使微粒平衡在束腰之间^[8]。1986年，Arthur Ashkin等人通过高数值孔径显微镜物镜汇聚激光形成光阱，实现了对微粒的无接触三维捕获，并且可以无机械损伤地操纵微粒^[1]。对微粒的操纵和捕获仅由一束激光完成，这就是人们通常说的光镊。

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