光鑷的理論模型及納米顆粒的操縱.pdf

1、在微/納尺度上操縱顆粒和測量微小力學(xué)量，能幫助我們從單分子層次了解DNA彈性和蛋白折疊等生物大分子的力學(xué)信息，從單顆粒層次上研究流體動力學(xué)作用，以及研究微/納尺度上組裝和傳動微型機器。在眾多的微/納操縱技術(shù)中，光鑷技術(shù)具有納米級位移和飛牛量級測量精度的獨特優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于單分子、膠體和納米科學(xué)等領(lǐng)域。
　　 在各種應(yīng)用中，最常用光鑷的方式為基于高數(shù)值孔徑物鏡的單光束梯度力阱，實現(xiàn)遠場操縱微粒。為了更好的理解和運用光鑷技術(shù)，理論研

2、究光阱對微粒的俘獲機理和光阱參數(shù)對光阱力的影響，對于完善光鑷理論模型，提升現(xiàn)有光鑷性能并付諸于實際應(yīng)用具有重要的意義。當(dāng)微粒尺度小到納米尺度，光阱難以束縛它。光鑷操縱納米顆粒不僅是對光鑷設(shè)備性能的挑戰(zhàn)，而且在納米流變學(xué)、納米組裝、膠體體系和表面增強拉曼散射信號上有著重要應(yīng)用。
　　 本論文主要研究了矢量光線追跡的RO模型和矢量衍射-矩量法的EM模型，利用矢量衍射理論，分析了在光阱中納米顆粒的輻射力與光鑷參數(shù)的關(guān)系，并從實驗上探索

3、三維操縱納米顆粒。在低信噪比情形下，我們研究了自相關(guān)函數(shù)標(biāo)定顆粒的光阱剛度，它適用于標(biāo)定納米顆粒的光阱剛度。
　　 關(guān)于RO模型的理論研究中，本論文應(yīng)用矢量光線追跡方法，統(tǒng)一分析三維方向上光阱力，簡化了RO模型的計算。結(jié)合空間矢量和矩陣的計算方法，它能有效地分析偏振光束對顆粒的光阱力，彌補傳統(tǒng)RO模型的不足。在此基礎(chǔ)上，我們分析了玻璃-水界面球差引起的矢量光線追跡，利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的方法，實現(xiàn)對任意形狀顆粒的光阱力及應(yīng)力張量和力矩的

4、計算。對于長桿狀顆粒，球差并不隨俘獲深度增大時降低光阱對它的軸向俘獲力，不規(guī)則顆粒在光阱作用的力矩下，自動調(diào)整到顆粒長軸與光軸平行的方位，這一方法拓展了傳統(tǒng)RO模型的適應(yīng)范圍。
　　 有關(guān)光鑷的EM模型的理論研究中，本論文提出了矢量衍射-矩量法的EM模型。這一模型分成聚焦光束的場分布、電磁散射后總場的分布和計算輻射力三個獨立的部分。這一模型在改變參數(shù)時，能減少計算工作量，例如改變?nèi)肷浼す夤馐孛婧臀镧R數(shù)值孔徑等參數(shù)，無需計算反映

5、微粒特性的矩陣元。通過模擬計算，得出在光阱中無法穩(wěn)定俘獲較大尺度的高折射率顆粒的結(jié)論?；谶@一理論計算平臺中，通過Rayleigh近似我們直接計算了納米顆粒的輻射力，并研究納米顆粒的輻射力與各參數(shù)的關(guān)系，得出在短波長、高數(shù)值孔徑物鏡和最佳光束分布時光阱俘獲納米顆粒的力最大。通過這些理論模擬，為我們?nèi)S操縱納米顆粒的實驗提供理論依據(jù)。
　　 根據(jù)前述輻射力的理論分析，本論文提出暗場照明光鑷，實現(xiàn)實時觀察三維主動操縱納米顆粒。根據(jù)觀

6、察的需要，我們采用橫向激光暗場照明，實現(xiàn)寬視場、實時和長時間觀察納米顆粒，并動態(tài)觀察三維操縱納米顆粒過程。由于觀察和操縱納米顆粒在俘獲深度的相互限制，我們引入機械筒長失配的球差補償，在較大俘獲深度上的增強光阱力，實現(xiàn)在光學(xué)顯微鏡下清晰觀察三維操縱直徑70nm的顆粒。
　　 由于納米顆粒的光阱力很弱，容易受到外界噪聲的影響，它的剛度測量上需要盡可能降低這方面的影響。我們研究了自相關(guān)函數(shù)測量納米顆粒的光阱剛度，作為方法的驗證，在濾波

7、和引入外界噪聲等方面比較了功率譜法和自相關(guān)函數(shù)標(biāo)定剛度的差異，具體分析了導(dǎo)致差異的原因。剛度標(biāo)定的方法在光鑷應(yīng)用中非常重要，如何實現(xiàn)原位和實時標(biāo)定剛度，不僅能簡化實驗過程，還能準(zhǔn)確反映測量中瞬時的力學(xué)信息。
　　 本論文從理論上較系統(tǒng)地研究RO模型和EM模型，建立一套在微/納米尺度上計算光阱力的方法。理論方法的建立有助于我們更好地理解微粒在光阱中的行為，指導(dǎo)實驗設(shè)計和分析實驗中遇到的問題。實驗研究中我們提出暗場照明光鑷并實現(xiàn)納米