锥形单光纤光镊与小微粒间光力的计算开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

光镊,又叫单光束梯度力光阱,通过光与物质的相互作用所产生的光势阱效应可以实现非接触式的微粒操纵和高精度测量。自ashkin等1在1986年首次利用强聚焦光束稳定捕获了25nm~10um的微粒,光镊技术诞生已有30多年。光镊操纵具有可视性,且光镊技术兼容性强。由于光具有穿透性,光镊还能实现“隔墙取物”的功能2。因此光镊技术的诞生与发展不仅推动了光学领域的发展,更是极大地促进了光学领域与化学,机械制造和生命科学等领域的交叉研究。众多科技工作者们将光镊技术与生物学领域结合起来,研究生物大分子静态特性或者动态特性。例如:steven m.block等3利用单光镊控制小球,从而牵引马达蛋白,使之在微管上行走,并在1993年发表了关于马达蛋白在微管上行走的实验成果,这是生物大分子领域首次应用光镊技术;wen等4在2008年利用光镊技术研究了核糖体沿着信使rna运动的动力学过程;zhong等5在2013年利用光镊技术,首次实现了实时观察,操控和测量活体内的血红细胞。光镊技术也被广泛的应用在物理测量领域,例如:kheifets等6在2010年利用光镊技术测量了微粒在真空中的瞬时速度,成功验证了布朗微粒符合能量均分定理,并在science上发表了实验结果。除此之外,光镊在显微加工7,8和粒子筛选9等领域也有应用。随着研究的深入,在对光镊进行标定后,还可以将其应用在流体力学10、测量微观粒子系统产生的微小力或位移11、非平衡热动力学12和微流控制等研究领域。

光镊的类型有全息光镊、近场光镊、微型光镊、光纤光镊等。光纤具有灵活和轻便低廉的特点,在光通信领域已经被广泛应用,且光纤传输激光的损耗较低,故光纤光镊可以灵活的实现对微粒更多维度的观察和操控。光纤光镊可以直接深入样品溶液中,灵活的对微粒进行捕获甚至旋转。更重要的是,对于光纤光镊的观测光路与捕获光路是分开的,观测光路不会影响微粒的捕获操作13。光纤光镊又可以分为多光纤光镊和单光纤光镊。kozo【14在2001年将两根探针为透镜形状的光纤同时插入液体介质中,当插入的角度为锐角时,其出射场可以实现对微粒的稳定捕获。cynthia【15在2002年利用三根光纤搭建了多光纤光镊操作系统,实现了对微粒在三维空间内的操控。近年来,单光纤光镊技术在国内外也得到了极大的发展。加拿大科学家r.s.taylor【16在2003年利用中空的金属化光纤探针上所产生的静电引力,成功捕获了玻璃微粒,实现了单光纤光镊对物体的捕获。哈尔滨工程大学的刘志海13在2006年到2007年期间,通过利用熔融拉锥再进行化学腐蚀的方法获得特殊的光纤端面,构建了多种形式的单光纤光镊17-19。单光纤光镊技术得到不断的发展,从对微粒的二维捕获到首次利用单根光纤可以实现对微粒的三维操作20。zhang yu等21在2016年提出并演示了一种基于椭圆芯光纤的新型单光镊,通过旋转光纤探针实现了对捕获的酵母菌的旋转,且控制精准。李军宝等22在2014年利用制作的新型探针单光纤光镊实现了对细菌的非接触性捕获,并对捕获的细菌进行了动态观察和能量估计。由此可见,单光纤光镊技术的发展对于光学领域与生物医学、化学、材料学等领域的交叉融合起到了很好的推动作用。

锥形探针则是光纤光镊的核心结构,它决定着光纤出射光的分布形态(例如产生非衍射的贝塞尔光)因而对粒子的捕获产生严重的影响。锥形探针可以当成一个角锥透镜,因此捕获光透过锥形探针的传播也可以看成角锥透镜对光的衍射,从而可以利用衍射原理来计算锥形探针的出射光场,由此就容易进一步计算出探针与小粒子的作用力。利用衍射原理计算角锥透镜的聚焦场在国内外都有研究,主要是利用菲涅尔衍射积分以及数学软件matlab来进行运算。s.k.mohanty等23在2008年利用matlab以及菲涅尔衍射积分仿真了锥形探针的单光纤光镊的出射场,并分析了光纤探针锥角变化对其出射场的影响,仿真结果与实验基本一致。v. jarutis等24在2000年利用复变函数的积分等式和衍射原理求解出了腰斑半径较大的情况下出射场的近似解析解。在满足近似条件下,近似结论与用mtalab仿真求得的数值解的结论符合的很好。

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2. 研究的基本内容与方案


基本内容:

论文首先应利用角锥透镜的衍射效应计算出锥形探针的出射场,然后结合maxwell应力张量计算粒子的受力。主要内容包括:

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3. 研究计划与安排

第1~3周:查阅相关文献资料,明确研究内容,了解研究所需背景知识(如光纤光镊的原理、发展概况,偶极子模型)。确定方案,完成开题报告;

第4~6周:利用matlab编写程序,对衍射场的电场振幅求数值解,进一步求解出相应的光强(即坡印廷平均矢量),并画出衍射场的光强截面图。根据衍射场沿z轴方向的光强变化,分析其非衍射性质;

第7~8周:将偶极子放入衍射场中,计算偶极子的受力;改变锥角,分析锥角变化对衍射场以及偶极子受力的影响;

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4. 参考文献(12篇以上)


[1] a ashkin, j dzicdzic, j bjorkholm, etal. observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectricparticles [j]. opt lett, 1986, 11(5):288-290.

[2] 李银妹,姚焜,光镊技术[m],北京:科学出版社,2015.

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