用射线光学法计算大粒子在激光光镊中的受力文献综述
2020-04-15 18:04:43
从20世纪60年代激光的诞生到80年代光镊的提出，见证了光学领域的发展，而光镊技术更是将光的动量属性展现的淋漓尽致。光镊是一种利用激光与物质相互作用时产生的光力来捕获操纵微小粒子的一种装置，目前已经广泛应用于生物、医学、物理学等各个领域[1]。在这30多年的时间里，随着时间的不断推进，社会科学技术的不断进步，光镊技术也得到了飞速的发展，比如，采用的激光光束由最初的高斯光束发展为高阶厄密－高斯光束、高阶拉格尔－高斯光束和贝塞尔光束[2]；实现的功能也从最初的单光陷阱俘获和二维操控[8]，发展为多光陷阱俘获、三维度操控和旋转操控[3]。
2018年8月欧洲力学杂志-B流体期刊上，Pedro Almendarez-Rangel研究小组发布了一篇研究论文《基于光镊的微低速测量系统：粒子跟踪测速法的比较》，文中提出在微环境中可以使用基于光镊（OT）的系统来测量流速，由此构建了基于OT的测速系统（OTV）与用时间平均粒子跟踪测速仪（TA-PTV）对不同深度的渠道壁进行了速度测量，然后将测量结果进行了比较，发现OTV系统具有以下优点：（1）更优秀的的空间分辨率；（2）测量过程中减弱了布朗运动的影响；（3）在不使用高粒子浓度、特殊数据处理或复杂照明系统（如其他测速技术）的情况下具有亚微米空间分辨率的可能性[6]。
不难展望，在不远的未来，光镊将会为生命科学和医学，以及相关科学领域的研究带来愈加深远的影响。
本次研究中，首先需要了解光镊的概念、原理与发展概况[7]，将学习光镊中粒子受力的射线光学模型[8,9]，推导粒子的散射力和梯度力的计算公式[10,11]，并基于Matlab编程计算高斯光束的聚焦场中粒子的散射力和梯度力[12,13]，并根据光阱力的公式分析影响光镊捕获效率的因素[14],讨论光镊捕获效率的影响因素[15]。
2. 研究的基本内容与方案
{title}本次研究的基本内容首先是了解光镊的概念、原理与发展概况，包括构成光镊的光压，光陷阱效应、光操控等，还有光镊的构建和参数、各种类型的光镊、以及光镊技术从出现以来到最近几年国内外在生物学、胶体科学、物理学等方面的发展情况，然后根据参考文献学习光镊中粒子受力的射线光学模型，包括光线对界面力的分析、光阱对球形微粒得的作用力分析等，做到能够完整的，正确的推导粒子的散射力和梯度力的计算公式，接着根据推导的计算公式使用Matlab软件进行编程，并计算高斯光束的聚焦场中粒子的散射力和梯度力，并根据仿真计算结果和计算公式，改变其合适的物理量的取值，讨论光镊捕获效率的影响因素。
技术方案主要为：首先学习并熟悉梯度力和散射力的形成的原理，然后根据高斯光场的梯度分布，结合二维或三维光阱捕获微粒后的情形，进行光阱对球形微粒的作用力分析，分析包括三种情况：单根光线对球形微粒的作用力、球形微粒中心与光轴z轴重合时受到的光阱力、以及球形微粒中心与光轴y轴重合时受到的光阱力，使用Matlab结合粒子在光镊中所受的散射力和梯度力的公式进行编程，从而得到对应的散射力和梯度力。根据光阱力的公式可知影响光镊捕获效率的因素，从而对光镊进行优化。
3. 参考文献[1]刘静.光镊中的Janus粒子运动研究[D].北京:中国科学院大学(中国科学院物理研究所), 2017.
[2]Gao DL, Ding WQ, Nieto-Vesperinas, M,Ding XM, Rahman, M, Zhang TH, Lim, C, Qiu CW. Optical manipulation from themicroscale to the nanoscale: fundamentals, advances and prospects[R]. BeiJing: Light-Scienceamp; Applications, 2017.
[3]王若鹏.由光制成的工具——2018年诺贝尔物理学奖介绍[A].北京：北京大学物理学院,2019,38(02):1-4
