论文总字数：20321字

摘 要

光镊是一种用光捕获并移动微小粒子的技术，它根本的原理是光辐射压，即光能够对物体产生相互作用力。光镊的应用领域十分广泛，除了最直接的生物学领域，在微小物理量测量等方面也有卓越的表现。光镊系统有三种常见的技术类型：传统光镊技术、多光镊技术和近场光镊技术，本文所研究的光纤光镊探针就属于近场光镊技术的范畴。近场光镊技术的发展是建立在近场光学的理论基础上。本文还针对常见的三种光纤光镊探针制备方法进行了比较明确的介绍和比较，分别介绍了它们各自的优缺点。在用静态化学腐蚀法制备光纤探针的过程中，得到了腐蚀时间长短会影响探针产生二次锥角的结论。用制备好的光纤光镊探针进行无接触捕获酵母细胞实验，得出当输入激光功率越大时，光镊的捕获能力越强的结论。

关键词：光纤探针；光镊；光镊探针的实验制备；化学腐蚀法；静态腐蚀

Abstract

Optical tweezers are a technology that uses light to capture and move tiny particles. Its fundamental principle is the pressure of light radiation, that is, light can produce an interactive force on objects. The application field of optical tweezers is very wide. In addition to the most direct biological field, it also has excellent performance in the measurement of small physical quantities. There are three common structures of optical tweezers system: traditional optical tweezers technology, multi-optical tweezers technology and near-field optical tweezers technology. The optical fiber optical tweezers probes studied in this paper belong to near-field optical tweezers technology. The development of near-field optical tweezers technology is based on the theory of near-field optics. This article also makes a clear introduction and comparison of the three common methods of preparing optical fiber optical tweezers, and introduces their respective advantages and disadvantages. In the process of preparing the optical fiber probe by the static chemical etching method, it was concluded that the length of the etching time will affect the second cone angle of the probe. Using the prepared optical fiber optical tweezers probe to carry out contactless yeast cell capture experiment, it is concluded that the greater the input laser power, the stronger the capture ability of optical tweezers.

Key Words：Optical fiber probe; Optical tweezers; Experimental preparation of optical tweezers probe; Chemical etching method; Static corrosion

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 近场光学技术简介 2

1.2 光镊技术简介 3

1.2.1 光镊技术的分类 3

1.2.2 光镊在各领域的应用 5

1.3 研究目的和意义 6

1.4 光纤探针国内外研究现状 6

1.5 论文研究预期目标 6

第2章 光纤探针常用制备方法综述 7

2.1 化学腐蚀法 7

2.1.1 原理和技术方案 7

2.1.2 技术概况 8

2.1.3 技术分析 9

2.2 熔融拉锥法 10

2.2.1 原理和技术方案 10

2.2.2 技术概况 10

2.2.3 技术分析 11

2.3 研磨抛光法 11

2.3.1 原理和技术方案 11

2.3.2 技术概况 11

2.3.3 技术分析 12

2.4 三种技术的比较 13

第3章 静态化学腐蚀法制备光纤光镊探针 14

3.1 测量腐蚀速率 14

3.1.1 40%浓度HF氢氟酸腐蚀速率的测量 15

3.1.2 其他浓度HF氢氟酸腐蚀速率的测量 16

3.2 腐蚀时间对制备探针的影响 16

3.3 保护液种类对制备探针的影响 17

3.4 光镊捕获酵母细胞实验 17

第4章 结论 19

参考文献 21

致谢 23

第1章 绪论

人们对微观世界的探索从未停歇，随着技术的不断革新与进步，我们现在所能观察到的尺度也越来越小。从最早的光学放大镜开始，到后来的光学显微镜，光一直都是我们观察微小世界的有力工具。

但是光学领域著名的德国科学家阿贝(E．Abbe)在1873年利用衍射理论的有关知识提出了一个关于可见光波段上显微镜分辨本领的极限的存在性论断，这是光学显微镜系统的一个由衍射效应引起的无法避免的门槛。也就是说，即使光学系统的加工技术再好，光学显微镜的放大倍率不可能无限放大。因为衍射效应的存在，远处的一个物点通过一个成像系统成像后，像平面上所成的像其实不是理想情况下的与物点完全相同的像点，而是一个衍射光斑，也称作爱里斑（明暗相间的衍射条纹图样，见图1.1示）。如此一来，如果想通过成像系统分辨清两个隔得比较近的物点，其实就是要分辨清楚这两个物点在成像系统像平面上所形成的爱里斑。后来英国科学家瑞利 (L．Rayleigh)提出了一个公式：

其中为r两点间的距离，为光的波长，n为介质的折射率，为将成像聚光的透镜的半角孔径。这个公式就是大名鼎鼎的瑞利判据。根据此判据我们就可以知道：两个像点想要刚好被分辨的距离，当且仅当要大于由成像系统相关参数所共同决定的这个量。其实也就是说这两个爱里斑的距离，至少需要大于一个爱里斑的边缘刚好与另一个爱里斑中心重合，这两个爱里斑才可以被分辨清楚，详见图1.2示意。根据这个判据所显示的内容，再结合波粒二象性的理论：电子束也能显示出像光一样的波动性，科学家们就设法利用电子束代替了光学显微镜中的光束，制造出了全新的电子显微镜。因为电子束的波长要远小于光波长，其分辨能力也就越强，所以电子显微镜的观察尺度得到了进一步缩小。

图1.1 爱里斑示意图

图1.2 最小分辨距离示意图

但是，即便如此，电子显微镜仍然受到衍射极限的约束，它的观察能力仍然有限，这是因为瑞利判据的得出是以假设光场为传播场（辐射场）为前提的。所以如果我们能够打破以辐射场为前提的假设，摆脱这个桎梏，设法去探测物体的非辐射场，那么就能顺利避免瑞利判据的限制，而且也能够完美避免衍射极限对于分辨率的限制，从而从根本上解决显微镜的分辨率限制问题，分辨能力也能有质的飞跃。于是顺着这个研究思路，随着以STM扫描隧道显微镜为代表的扫描探针显微技术的发展日趋成熟，当这类技术与光学探测领域结合后，近场光学这种全新的光学学科就出现了。

1.1 近场光学技术简介

简单来说，我们可以将光场分为两种：第一种场存在于离物体表面非常近的区域内，这个区域距离物体表面最远大概只有几个纳米，叫做近场区域；第二种场则当然就是近场区域以外的区域了，叫做远场区域。远场区域从近场区域的边缘一直延伸到无穷远处，是普通光学探测设备如显微镜、望远镜和其他类型设备所能探测到的光场，也就是说远场是可以向外传播的辐射场。近场光学所要研究的核心问题正是设法探测物体表面近场区域内的非辐射场，因为该区域内的非辐射场包含物体结构的细节信息。但是由于这个非辐射场的强度会与物体表面的距离呈指数级衰减关系，所以常规的光学观测手段（即远场范围）根本无法探测到它。

近场光学从原理上就对传统光学中因衍射极限而存在分辨率极限的这一问题给出了根本性的解决。SNOM近场光学显微镜的出现将微观设备的探测能力由接近光波长的尺寸增大到远远小于波长，大概只有波长的几十分之一，这也正是纳米尺度的范围。在SNOM近场光学显微镜中，发挥类似传统光学仪器中的透镜结构作用的，是微小的光学探针，其尖端的尺度远小于光波长。1928年，Syngc提出用入射光透过孔径为10nm的小孔照射到距离小孔10nm的样品后，以10nm的步长扫描并且收集微区光信号时，就可能获得超高分辨率^[1]。但是很可惜，由于当时所拥有技术的限制，实际上并不能制做出满足这样条件的小孔结构，而且也不能做到如此精准的二维扫描操作，这个想法在相当长的一段时间内也就只能是设想。1991年，Betzig等用单模光纤做成光纤探针以及利用剪切力进行探针针尖与样品表面距离测控后，近场光学显微镜开始作为一种新的重要光学仪器，用于研究亚波长尺度物体的光学性质^[1]。SNOM近场光学显微镜自诞生后就被广泛应用于许多领域，覆盖了物理、化学、生物等等，对这些领域的进一步发展起到了十分重要且不可替代的作用。同时从另一个角度来讲，其实它反过来也在一定程度上促进了近场光学相关理论的进一步发展、建设和完善。

1.2 光镊技术简介

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