基于矢量衍射积分法计算锥形透镜光纤光镊的光阱力开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

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

自Ashkin等人发明光镊以来,光镊在生物学、医学和材料学等领域的研究中发挥了重要作用,在纳米技术和材料学中也做出了巨大的贡献。12目前国内外许多研究机构都展开了新型光纤光镊的研究,Mohanty用一根微细光纤成功操纵了哺乳动物的细胞、Taguchi及其团队利用锥形光纤制成了简单的单光纤光镊系统,分别在流体中别聚苯乙烯小球和活性酵母细胞捕获在光束的焦点位置处,使得操纵捕获对象与光纤光镊同步自由移动。14国内的中国科技大学微纳光学团队最早开展了光镊方面的研究,并率先研制成了三维光纤光镊系统、天津大学的邢岐荣对飞秒激光产生的光纤光镊进行研究、中山大学的李宝军团队分别用可见光和红外光捕获并操控了一些生物大分子。10

2. 研究的基本内容与方案

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

本论文将首先介绍研究背景以及研究现状,之后将介绍锥形光镊系统的前身,平端头光镊系统,由于平端头光镊系统不能满足应用要求,进而才发展出捕获力更大,移动范围更广的锥形光镊系统。15本论文基于光压力产生的原因,利用麦克斯韦电磁理论及光的力学效应,进行严格推导,得到计算光阱力的公式。5确定边界条件,然后利用所学的Mablab以及编程知识,将研究的光纤探针衍射场和光力计算出来,在没有错误的情况下,改变边界条件即改变透镜的曲率半径、探针锥角,将光力、曲率半径、探针锥角数据绘制成图表,观察光力随曲率半径以及探针锥角的变化规律,最后分析产生变化的原因以及总结研究成果。8

3. 研究计划与安排

第1-2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(光纤光镊的概念、原理与发展概况)。

第3-4周:利用查阅的相关资料,结合研究内容,完成开题报告。

第5-6周:了解Richards amp; Wlof 矢量衍射积分法,以及光镊中计算光阱力的几

何光学模型。

第7-8周:学习Matlab及编程方面的知识,能做到熟练使用Matlab建立模型并

计算光纤探针的衍射场和光力。

第9-10周:完成多于汉字5000字的英文文献翻译。

第11-12周:利用学到的Matlab和编程知识,建立模型,计算透镜式光纤探针的衍射场和光力,讨论透镜曲率半径,探针锥角对光力的影响。

第13-14周:完成并修改毕业论文。

第15周:复习理论部分,核查工作成果,为答辩做准备。

第16周:论文答辩。

4. 参考文献(12篇以上)

  1. 刘旭,陈麟,蔡纯,肖金标等.锥形透镜光纤聚焦特性研究[j].光学学报,2006.

  2. 郭成凯.单光纤光镊数值仿真和光阱力计算[d] .哈尔滨:哈尔滨工程大学,2007.

  3. 李智云.可调双光纤锥形光镊对球型颗粒捕获操控的研究[d].兰州:兰州大学,2017.

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