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自加速光场和阵列光场的研究及在光捕获中的应用

刘伟伟  
【摘要】:光镊是基于光的力学效应捕获和操控微观粒子的工具。光镊最早由Ashkin发明,它通过会聚高斯光形成的三维光势阱来实现微粒捕获。光镊的作用力和作用尺度分别为皮牛和微纳量级,这使得它在软物质,分散体系和单分子等领域研究中具有广泛应用。然而随着新兴领域的发展和对光镊操控新要求的提出,传统高斯光镊也面临着诸多应用困境,如对系宗微粒的同时操控或者选择性捕获,异质体粘弹性测量,低折射率或吸热粒子三维捕获以及生物组织内的深度捕获等。这些问题的解决有赖于发展新型光镊捕获技术,同时对推动软物质和生物物理等领域的研究进展也具有重要意义。自加速光场和阵列光场是目前衍射光学领域的研究热门,通过在光镊系统中引入这些新型光场有望解决传统高斯光的捕获困境。自加速光场是新近研究的一个热点,它是一类光场的总称,典型代表有艾利光和圆对称艾利光等,它们一般都是波动方程的解,都能通过衍射光学元件实验生成。相较会聚高斯光,自加速光场具有特殊的光场结构和传输轨迹,因此应用在光捕获领域有望捕获特殊粒子或开发出新的光捕获形式。阵列光场的典型代表是阵列高斯光,一般通过空间光调制器对高斯光相位调制生成,目前人们已经建立了完善的阵列高斯光生成算法。阵列高斯光阱的特点是能对不同体系的多微粒进行同时捕获和操控,它有望解决软物质领域中的自组装和异质体粘弹性测量等问题。本人博士阶段工作主要集中在自加速光场和阵列光场的特性研究以及发展它们在光镊捕获和软物质粘弹性测量等领域的应用。本文主要有以下几部分内容:1.综述了自加速光场和阵列光场的理论基础和发展现状,以及液晶空间光调制器的复振幅调制技术。2.基于角谱理论,提出了两种振幅模板并研究了它们对对称艾利光的振幅调制。第一种为指数振幅模板,它能在角谱面上抑制对称艾利光的相关频谱分量,据此我们得到了一种新的补偿加速光场。这种加速光场能在不同损耗介质保持主瓣光强传输不变,还兼有衰减震荡传输特性,具有这些性质的自加速光场是我们首次报道的,它有望应用于损耗介质(如生物组织)的深度光操控中。第二种为对称振幅模板,我们理论和实验研究了这种振幅模板对对称艾利光的振幅调制,发现它能增强光场的高频频谱分量,进而提高对称艾利光的自聚焦特性和轴向梯度力,这种新型振幅调制的对称艾利光能提高光镊对系宗微粒的捕获稳定性。3.通过对称化三阶多边形光场角谱,提出了一种新的对称多边形加速光场。理论和实验研究了这种加速光场的传输特性,发现该光场除具有自聚焦特性外,还有针形中心光瓣和对称多通道旁瓣的光场结构,实验也发现它具有强自修复特性。进一步的,我们将该光场耦合进光镊系统,实现了这种对称加速光场能对不同空间位置微粒的选择性输运和捕获,这种多通道结构的自加速光场有望在光流体等领域得到重要应用。4.利用一种新的可调控光瓶实现了对水溶液中吸热粒子的可调控捕获。光瓶由修正贝塞尔函数叠加生成,通过改变几何参量能调控光瓶的暗区大小和暗度。实验基于液晶空间光调制器的复振幅调制技术来实验生成光瓶并用于光捕获。我们分析了不同暗区暗度的光瓶对吸热粒子的光泳力影响,并通过调节几何参量大小,实现了不同暗度光瓶对吸热粒子的可调控捕获。光瓶光场能解决光镊对特殊粒子如吸热粒子的捕获问题。5.搭建了消像差的阵列高斯光镊装置,实现了阵列高斯光阱对软物质粘弹性的多微区并行测量。实验首先利用相位补偿技术对阵列高斯光镊光路进行了像差校正,实验使得阵列光阱刚度提高了 40%。基于前期像差校正工作,我们改进了阵列高斯光镊光路。同时通过GS算法生成了高质量阵列多光阱并用于测量软物质的多微区粘弹性。实验结果说明了阵列多光阱的并行测量能提高实验精度,同时也验证了它的多微区测量能力,我们工作为后续利用阵列多光阱测量异质体粘弹性打下了良好基础。基于以上工作,我们建立了新型光场光镊捕获和应用的一些计算和实验研究方法。并从传统高斯光镊的应用困境出发,分别对自加速光场和阵列光场的传输特性进行了较为深入研究和进一步优化,提出了一些新的自加速光场并演示了它们在光捕获中的应用。我们相信这些工作对光镊在软物质,生物医学等领域的研究具有一定借鉴意义。


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