倏逝波光阱中多微球動(dòng)力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、光與分散體系中分散相微粒的相互作用包含著能量和動(dòng)量的傳遞。光阱技術(shù)可以限制微粒運(yùn)動(dòng)的特性使得人們可以方便的觀測(cè)分散體系中單個(gè)微粒的動(dòng)力學(xué)過程，這對(duì)于研究微粒的個(gè)體行為和彼此間的相互作用是非常有用的。例如光阱中存在多微球的情況，其中每個(gè)微球不僅受到來自背景光場(chǎng)的力作用，還受到來自其他微球散射光場(chǎng)和流體運(yùn)動(dòng)的影響。在適當(dāng)?shù)臈l件下，多微球可以集聚形成各種結(jié)構(gòu)，即光學(xué)結(jié)合(Opitcal binding)現(xiàn)象。盡管光阱中單微粒的力學(xué)特性已經(jīng)被廣

2、泛研究，但人們往往容易忽視多微粒散射光的力學(xué)效應(yīng)，因而對(duì)多微球動(dòng)力學(xué)的定量研究顯得比較粗糙；同時(shí)倏逝波光阱作為二維光阱，為光學(xué)結(jié)合現(xiàn)象提供了天然的載體，尚沒有對(duì)緊密結(jié)構(gòu)中微球行為特性的定量研究。對(duì)這些現(xiàn)象的觀測(cè)和研究，可以幫助人們更加全面的認(rèn)識(shí)光力作用和拓展新的應(yīng)用。基于這些需求，本文觀測(cè)了倏逝波光阱中多微球在光力作用下集聚形成小間隔的一維和二維結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，利用微球的位置波動(dòng)定量的分析了單體微球和一維微球鏈的動(dòng)力學(xué)特性。主要研究工作

3、包括以下幾個(gè)方面：
　　1.單微球布朗動(dòng)力學(xué)仿真。比較了常用的光阱剛度標(biāo)定方法，指出均方位移法和玻爾茲曼法都不需要微球在流體中的粘度信息，這種特性有助于近平面倏逝波光阱剛度的標(biāo)定。利用蒙特卡洛法和有限元法分別通過位置和速度迭代方式仿真了流體中單微球在受限布朗運(yùn)動(dòng)影響下的位置波動(dòng)，比較了它們的特點(diǎn)，介紹了速度相關(guān)記憶時(shí)間和位置相關(guān)記憶時(shí)間的概念。通過仿真結(jié)果求解剛度發(fā)現(xiàn)二者的誤差相當(dāng)，但位置迭代方式計(jì)算時(shí)間顯著縮短了3~4個(gè)量級(jí)。在

4、仿真中發(fā)現(xiàn)當(dāng)光阱中兩個(gè)正交方向上剛度差異較大時(shí)，二維坐標(biāo)系的選取可以對(duì)微球位置波動(dòng)相關(guān)函數(shù)造成顯著的影響。最后仿真了微球在外力矩作用下轉(zhuǎn)動(dòng)并受到布朗運(yùn)動(dòng)影響的位置波動(dòng)，分析了三種情況下微球位置波動(dòng)相關(guān)函數(shù)的特性，即轉(zhuǎn)動(dòng)位移占主要因素的情況、布朗位移占主要因素的情況和介于二者之間的情況，這種相關(guān)函數(shù)的分析提供了一種測(cè)量微球轉(zhuǎn)動(dòng)信息的方法。
　　2.倏逝波光阱系統(tǒng)。搭建了雙光束倏逝波光阱系統(tǒng)，觀測(cè)到直徑1umSiO2的微球形成一維鏈?zhǔn)?/p>

5、結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；搭建了四光束倏逝波光阱系統(tǒng)，觀測(cè)到直徑1umSiO2的微球形成二維結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
　　3.多微球位置同時(shí)探測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)。描述了顯微鏡物鏡衍射成像的特點(diǎn)，仿真了設(shè)定信噪比下點(diǎn)源在圖像傳感器中所成的數(shù)字圖像。比較了單微球位置探測(cè)常用的圖像分析算法，根據(jù)觀察的微球鏈的運(yùn)動(dòng)特性，改進(jìn)了現(xiàn)有的極值中心法，在取得同等探測(cè)精度的前提下大幅縮短了探測(cè)時(shí)間，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)中多微球位置的探測(cè)奠定了基礎(chǔ)。
　　4.一維結(jié)構(gòu)中單體微球

6、動(dòng)力學(xué)特性的研究。在雙光束倏逝波光阱中，直徑1 um的SiO2微球在光力作用下形成間隔緊密的一維微球鏈。在得到微球的位置波動(dòng)后，分析了不同條件下微球平均間隔的差異；將每個(gè)微球看作處于各自的勢(shì)阱中，這些勢(shì)阱的剛度可以通過球-彈簧模型中各微球間連接彈簧的彈性系數(shù)來獲得。在不同條件下分別計(jì)算了鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中連接彈簧的彈性系數(shù)，并首次從實(shí)驗(yàn)中定量地確定了它與激光功率和結(jié)構(gòu)中微球數(shù)量之間的線性關(guān)系。依據(jù)這種線性關(guān)系推算了微球形成穩(wěn)定鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)所需的閾值

7、功率，和實(shí)驗(yàn)中所觀察的現(xiàn)象相符合。
　　5.一維微球鏈整體動(dòng)力學(xué)特性研究。比較了微球鏈和聚合物分子鏈的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，詳細(xì)介紹了聚合物分子鏈基本的動(dòng)力學(xué)模型：Ro use模型和Zimm模型。由于同時(shí)求解微球鏈中多個(gè)微球的運(yùn)動(dòng)方程存在很大的困難，因此在單個(gè)微球位置波動(dòng)的基礎(chǔ)上，采用彼此獨(dú)立的模式將其組合以描述微球鏈的運(yùn)動(dòng)特性。建立了一般化的微球運(yùn)動(dòng)方程，介紹了描述微球間流體運(yùn)動(dòng)相互影響的張量。將遷移矩陣特征化得到微球鏈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的本征

8、模式，并通過已知 Ro use模型和 Zimm模型的仿真驗(yàn)證了其有效性。利用矩陣特征化方法求解了實(shí)際微球鏈的本征模式，并探索了本征模式自相關(guān)函數(shù)衰減時(shí)間的特性。
　　6.二維結(jié)構(gòu)中單體微球動(dòng)力學(xué)特性的研究。在四光束倏逝波光阱中記錄了微球在布朗運(yùn)動(dòng)作用下的位置波動(dòng)，并驗(yàn)證了方形“晶格”結(jié)構(gòu)。變換坐標(biāo)系和去掉單元結(jié)構(gòu)質(zhì)心位置波動(dòng)后，展示了微球相對(duì)位置波動(dòng)的分布特性。根據(jù)其方差計(jì)算了各微球所處光阱的剛度，結(jié)果證實(shí)了微球單元結(jié)構(gòu)中各微球受