1. 研究目的与意义（文献综述）

光镊是一种基于强聚焦光的工具，能够捕获、操纵各种微米至纳米级粒子。光镊是以非接触的遥控方式对微小粒子进行操控，能够实现操控无损无菌、实时动态跟踪以及进行微小力的测量^[1]。相比微米、纳米尺度范围的其他操作工具，光镊在细胞生物学^[2]、单分子生物学^[3]、胶体科学以及物理学的应用中都有着独特的优势。

从1986 年， ashkin等发表的第一篇单光束光镊论文起，光镊技术从仅在实验室简单操作微粒细胞到现在可以对单分子亚纳米级精度的测量，光镊技术取得了巨大发展，但光镊的精确理论模型发展还较缓慢，通常基于近似值。对于不同微粒尺度范围，有几何光学模型(ro)和电磁模型(em)，人们提出了几何光学法、时域有限差分(ftdt)、有限元(fem)、广义洛仑兹米氏散射理论(glmt) 和瑞利散射方法等计算光镊捕获力的理论,也有t矩阵法、离散偶极子方法（dda）、矩量法(mom)多种数值计算法^[4]。

当捕获的球形粒子尺寸比捕获波长小得多或大得多，ro模型适用，光镊的力分成与光强度梯度成比例并负责捕获的保守梯度力，和与光强度成比例且通常对捕获不利的非保守散射力，但这种非保守散射力对光学操纵和激光冷却至关重要。对于非球形粒子或处于中间尺度的粒子，情况更为复杂，传统的梯度和散射力的识别更为困难，此外，形状和组成对光学捕获的粒子动力学有着巨大的影响^[5]，这时需要应用em模型进行分析。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容和目标。

本次设计是在了解了光镊概念、原理、系统构成和发展概况以及涡旋光束的概念和性质的基础上，主要基于richards-wolf矢量衍射积分法，使用matlab编程计算拉盖尔-高斯光在高数值孔径透镜的衍射场，分析讨论拉盖尔-高斯光的聚焦特性，以及拓扑荷数的影响。

仿真设计的内容主要包括以下两个部分。第一个部分学习利用richards-wolf矢量衍射积分法，推导出衍射场的积分公式，建立起拉盖尔-高斯光束在高数值孔径透镜作用下的理论分析模型。第二个部分利用matlab进行仿真并测试各特性参数，讨论其影响。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需背景知识（光镊的概念、原理和系统构成、发展概况，涡旋光束的概念、性质，初步了解richardsamp; wolf矢量衍射积分法）。确定方案，完成开题报告。

第4－5周：完成英文文献翻译，进一步完善研究目标。

第6－7周：设计并仿真拉盖尔-高斯光在高数值孔径透镜的衍射场。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]李银妹，姚焜．光镊技术[m]．北京：科学出版社，2015．

[2]周瑞雪，王海燕等.光镊技术在生物学中的应用新进展[j].激光生物学报，2017，26(4):289-293.

[3]李银妹，龚雷等．光镊技术的研究现况[j]．中国激光，2015，42(1)：9-28．