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信息，從單顆粒層次上研究流體動力學作用，以及研究微/納尺度上組裝和傳動微型機器。在眾多的微/納操縱技術中，光鑷技術具有納米級位移和飛牛量級測量精度的獨特優(yōu)勢，廣泛應用于單分子、膠體和納米科學等領域。
　　 在各種應用中，最常用光鑷的方式為基于高數值孔徑物鏡的單光束梯度力阱，實現遠場操縱微粒。為了更好的理解和運用光鑷技術，理論研

2、究光阱對微粒的俘獲機理和光阱參數對光阱力的影響，對于完善光鑷理論模型，提升現有光鑷性能并付諸于實際應用具有重要的意義。當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備性能的挑戰(zhàn)，而且在納米流變學、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的關系，并從實驗上探索

3、三維操縱納米顆粒。在低信噪比情形下，我們研究了自相關函數標定顆粒的光阱剛度，它適用于標定納米顆粒的光阱剛度。
　　 關于RO模型的理論研究中，本論文應用矢量光線追跡方法，統一分析三維方向上光阱力，簡化了RO模型的計算。結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RO模型的不足。在此基礎上，我們分析了玻璃-水界面球差引起的矢量光線追跡，利用坐標旋轉的方法，實現對任意形狀顆粒的光阱力及應力張量和力矩的

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，自動調整到顆粒長軸與光軸平行的方位，這一方法拓展了傳統RO模型的適應范圍。
　　 有關光鑷的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時，能減少計算工作量，例如改變入射激光光束截面和物鏡數值孔徑等參數，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論。基于這一理論計算平臺中，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的關系，得出在短波長、高數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，為我們三維操縱納米顆粒的實驗提供理論依據。
　　 根據前述輻射力的理論分析，本論文提出暗場照明光鑷，實現實時觀察三維主動操縱納米顆粒。根據觀

6、察的需要，我們采用橫向激光暗場照明，實現寬視場、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，實現在光學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。我們研究了自相關函數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函數標定剛度的差異，具體分析了導致差異的原因。剛度標定的方法在光鑷應用中非常重要，如何實現原位和實時標定剛度，不僅能簡化實驗過程，還能準確反映測量中瞬時的力學信息。
　　 本論文從理論上較系統地研究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，指導實驗設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納米