高聚焦激光微束中Mie粒子和Rayleigh粒子受力特性研究

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随着激光生物学的发展,以激光微束的动力学效应为基础的光镊技术逐渐成为生命技术、纳米技术等微操纵研究领域的有力工具.对于大小从几个纳米到几个微米的电解质微粒,可以被高度聚焦的激光微束所产生的光阱力捕获在其焦点附近.光镊可以实现对生物活体细胞的亚接触和无损伤的捕获和操控.激光与粒子之间的作用是一个复杂的交互过程.到目前为止,研究激光光阱力的理论模型现在主要两种:几何光学模型(RO)和电磁模型(EM). 本文基于几何光学模型和基于电磁场模型,分别对几何尺寸远大于激光波长的米氏球形微粒和几何尺寸远小于激光波长的瑞利粒子所受的光阱力进行了定量计算.讨论了微粒的相对折射率、光束的束腰半径、激光波长等主要系统参数与光阱力的关系. 数值计算的结果表明,对于米氏粒子,用高斯光束作捕获光源时,相对折射率是实现捕获的重要条件之一,存在最佳折射率,并且要求相对折射率大于1,在最佳折射率的情况下,粒子获得最大光阱力;但是,在空心光束中可以实现对地折射率粒子的稳定捕获,即粒子的相对折射率可以小于1. 聚焦激光微束的束腰大小对捕获起着重要作用,束腰越小光阱力对粒子的捕获越稳定,束腰增大势阱变浅,稳定性变差.激光的波长、粒子的大小对光阱力有一定影响: 激光功率增大时,光阱力增大,但同时可能会造成对研究对象的损伤.我们可以采用较小功率的空心光束来实现与高斯光束同样的捕获能力. 对于瑞利粒子,聚焦激光的束腰、粒子相对折射率都是对捕获有重要的影响.束腰越大光阱力越小;相对折射率越大,光阱力越大. 全文共分六章.第一章介绍了光镊技术的背景,光镊的理论研究以及光镊系统的基本结构和应用.第二章介绍了激光捕获技术的基本原理,阐述了光镊捕获和操控粒子的机制.第三章对激光光阱力进行了数值计算,根据计算结果分析了实验参数对光阱力的影响.第四章介绍了空心光束并对处于其中的粒子所受光阱力进行了计算,并与高斯光束中粒子所受的光阱力进行了比较.第五章介绍了激光光阱力计算的其它方法、光镊系统的结构.第六章对全文进行了总结并对下一步的工作进行了展望.

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作者
朱占收;
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作者单位

山东师范大学;

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授予单位山东师范大学;
学科光学
授予学位硕士
导师姓名徐建波;
年度 2007
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 O432.12;
关键词
光阱力; 微操纵; 光镊; 高聚焦激光微束; 受力特性;

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