1.1 研究背景

早在17世纪初期，德国物理学家开普勒在《彗星论》中就提出了由于太阳对彗星的某种排斥作用，造成了彗星的尾巴总是背着太阳的现象，并预言了光辐射压力的存在。经过两个世纪，19世纪麦克斯韦创立了电磁理论，并利用数学方法论证了光压的存在，并推导出了光压公式。1901年俄国物理学家彼得-列别捷夫设计实验证实了光压的存在，并测得了数据。⁹由于证实了光作用于物体会产生力的作用，这就为科学家利用这种原理操控微小粒子成为可能，但由于当时光源产生的功率和能量都很小，这种研究很难持续下去，直到激光的发明，光辐射压力再次成为研究的热点。⁴

由于人们不断探索研究激光对微小物体的作用，光学捕获技术或激光捕获技术也即光镊技术就应运而生了。传统的光镊都会采用高数值孔径的显微物镜来增强光场，这种光镊系统体积庞大且实验成本高，很难大规模应用。近些年来，随着激光以及光纤技术的发展，光纤光镊技术很好的解决了传统光镊的弊端。光镊利用光纤端头出射的强聚焦激光束实现对微粒的操控，有平面型光纤光镊和锥形光纤光镊等。具有平端面的单根光纤的出射光场产生的横向散射力很小，导致光纤捕获系统对捕获对象的操纵稳定性不高，因此平端面光纤光镊系统并不是构成单光纤光镊的最佳选择。⁶针对这一不足，锥形光纤光镊系统应运而生了，锥形光纤在实验上是光纤末端被熔融拉锥或机械研磨成逐渐变细的锥形结构，如果尖端以半球型收尾，则称之为球形尖端，锥形光纤和球形光纤共同组成锥形光纤。¹这种光纤的优点是出射的光能够在尖端得到汇聚，产生强光场，相当于显微物镜，这种光镊系统能够得到更强的光捕获效果。¹³

1.2 研究目的及意义

光阱力场的分析和计算是光纤光镊系统的理论和实验基础。平端面光镊系统没有强聚焦光场，束腰宽度较大、发散角较小，利用标量衍射理论可精确计算光镊系统的光阱力。²但锥形光镊系统具有较强聚焦光场、束腰宽度为波长量级且发散角很大，此时标量衍射理论不再适用。此时就需精确地矢量衍射理论计算光镊系统的光阱力，此篇论文的目的正是要研究利用矢量衍射积分法计算锥形光镊系统的光阱力。⁷由于光镊技术在生物学、医学、材料学等学科的广泛应用，所以寻找一种有效的光阱力计算方法是极为重要的，它能为光镊系统有效的操控微小粒子提供理论基础。³

1.3 研究现状

2.1 研究的基本内容及目标

本论文主要关注单锥形光纤光镊系统的理论研究以及光阱力的数值计算，了解Richards amp; Wolf矢量衍射积分法以及光镊中计算光阱力的几何光学模型；通过严格的公式推导，进而得到计算光阱力的有效公式，然后基于Matlab编程计算透镜式光纤探针的衍射场和光力，讨论透镜的曲率半径，探针锥角对光力的影响，为光纤探针稳定高效工作奠定理论基础。¹¹

2.2 研究拟采用的技术方案及措施