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激光捕获技术及其发展

光学技术 2006年第2期32卷 311-315,318页

作者：霍鑫潘石孙伟大连理工大学物理系近场光学与纳米技术研究所辽宁大连116024

激光捕获技术是利用光辐射力来捕捉、移动和操纵微粒的先进技术。光镊即单光束梯度力光阱是通过在高度会聚的激光束束腰附近所产生的极高的场强梯度来形成皮牛顿量级的力,可以三维地捕获和操纵微小粒子。阐述了激光捕获技术的模型和原... 详细信息

激光捕获技术是利用光辐射力来捕捉、移动和操纵微粒的先进技术。光镊即单光束梯度力光阱是通过在高度会聚的激光束束腰附近所产生的极高的场强梯度来形成皮牛顿量级的力,可以三维地捕获和操纵微小粒子。阐述了激光捕获技术的模型和原理以及系统的基本结构;追踪了激光捕获技术的最新研究进展;介绍了非高斯型光阱、光纤光阱和全息光镊等几种特殊形式,并分析了每种形式的特点。展望了激光捕获技术的发展前景。

关键词：激光捕获光镊光阱辐射力梯度力散射力

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双层介质球体所受光作用力的分析与计算

光学学报 2000年第10期20卷 1305-1310页

作者：姚新程李兆霖程丙英张道中中国科学院物理研究所和凝聚态物理中心光物理实验室北京100080

计算了双层介质球体的光作用力。结果表明 ,双层结构内外层相对折射率和相对厚度的变化都将影响光作用力的大小。特别是当内层折射率大于外层折射率时 ,减小内层半径可得到一较小区域 ,在此区域光镊系统刚度将得到有效提高 ,可实现对双... 详细信息

计算了双层介质球体的光作用力。结果表明 ,双层结构内外层相对折射率和相对厚度的变化都将影响光作用力的大小。特别是当内层折射率大于外层折射率时 ,减小内层半径可得到一较小区域 ,在此区域光镊系统刚度将得到有效提高 ,可实现对双层介质球体的稳定束缚 ;而当内层折射率小于外层折射率时 ,随内层半径的减小 ,介质小球可能有两个稳定平衡点出现。

关键词：光镊光作用力梯度力散射力双层介质球体

透射边界-地基-风电结构地震响应与破坏模式

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岩土力学 2014年第9期35卷 2651-2658页

作者：柳国环练继建于通顺天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072 天津大学建筑工程学院天津300072 中国海洋大学工程学院青岛266100

近海风力发电结构是由无限域地基、基础及上部结构组成的体系,有限域透射人工边界和地震动输入模式直接影响结构体系的动力响应。首先,建立透射人工边界-地基-基础-塔筒结构和固定边界-地基-基础-塔筒结构的有限元模型;然后,简要澄清了... 详细信息

近海风力发电结构是由无限域地基、基础及上部结构组成的体系,有限域透射人工边界和地震动输入模式直接影响结构体系的动力响应。首先,建立透射人工边界-地基-基础-塔筒结构和固定边界-地基-基础-塔筒结构的有限元模型;然后,简要澄清了透射边界地震动输入之所以采用外力而不采取地震动物理量(加速度、速度和位移)的原因所在;最后,对给出的3种作用模式:(1)固定边界地震动输入,(2)只考虑外源输入波作用,(3)同时考虑外源输入波和内源振动的散射波作用,分别进行计算分析和比较。通过数值计算并结合理论分析,(1)澄清了对透射边界采用外力进行地震激励输入的方法的原因,这种输入方法合理可靠,符合实际情况;(2)在地震波等效荷载的生成中,针对圆形横截面地基提出了一种阻尼力、刚度力的便捷性生成方法,大大减小了工作量;(3)从自身振动特点及阻尼设置角度,解释了地震作用下采用透射边界比采用固定边界时风电结构响应减小的原因;(4)指出了地震作用下透射边界地基模型在结构动力响应与倒塌计算中内源振动反射的不容忽视性。

关键词：近海风力发电结构透射边界散射力破坏模式

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平行光全反射迅衰场中光辐射力及其规律

上海理工大学学报 2010年第3期32卷 235-241页

作者：王兵善沈建琪王华睿卢进灯上海理工大学理学院上海200093

利用Mie散射理论和电偶极子近似理论,计算了球形颗粒在全反射迅衰场中受到的光辐射力,得到了光辐射力随颗粒与分界面之间距离、入射角、颗粒半径和颗粒折射率的变化曲线.分析了光辐射力随相应参数的变化规律并且给予物理解释.

关键词：光辐射力纳米颗粒迅衰场梯度力散射力

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基于电力聚焦的光纤光镊细胞分选

微纳电子技术 2019年第5期56卷 376-381页

作者：张英杰张思祥竭霞周围李默河北工业大学机械工程学院天津300130

提出了基于电力聚焦的单模光纤耦合激光分选细胞的方法。基于电力聚焦模型和光镊原理,推导出中心聚焦流宽度公式和光纤光镊对细胞的散射力公式。在Comsol Multiphysics 5.3中建立层流、电流、粒子追踪和电磁波四个物理场,进行了直径10μ... 详细信息

提出了基于电力聚焦的单模光纤耦合激光分选细胞的方法。基于电力聚焦模型和光镊原理,推导出中心聚焦流宽度公式和光纤光镊对细胞的散射力公式。在Comsol Multiphysics 5.3中建立层流、电流、粒子追踪和电磁波四个物理场,进行了直径10μm和20μm粒子的单细胞流和分选仿真。在此基础上,搭建了光纤光镊分选细胞实验平台,配置了酵母菌细胞和聚苯乙烯微球的混合溶液,进行了实验。仿真和实验结果均表明,在入口电压比1∶1.2的情况下,在主通道中能形成间距大致均匀相等的单细胞流。并在波长为980 nm、功率为300 mW激光条件下,聚焦激光可以通过单模光纤驱动不同直径的细胞沿光轴方向移动,且移动距离不相等,从而迫使细胞进入不同的通道进行分选。

关键词：电力聚焦光镊散射力细胞分选微通道

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全反射倏逝波干涉场光学力研究

全反射倏逝波干涉场光学力研究

作者：肖新元南昌航空大学

学位级别：硕士

近场光学是物理光学中的一门新兴学科，它是研究距物体表面亚波长范围内倏逝光场的特性。对倏逝场进行分析可以获得物体表面的精细结构，从而使得基于近场光学技术的光学分辨率达到纳米量级。随着世界各地学者不断地发展近场光学理论、... 详细信息

近场光学是物理光学中的一门新兴学科，它是研究距物体表面亚波长范围内倏逝光场的特性。对倏逝场进行分析可以获得物体表面的精细结构，从而使得基于近场光学技术的光学分辨率达到纳米量级。随着世界各地学者不断地发展近场光学理论、研制并改进近场光学显微系统，使得这门学科在物理、材料、生物、信息、医学等领域得到应用和发展。本论文首先介绍了近场光学的发展，超衍射分辨率的原理，近场光学显微术系统的结构与应用;接下来简要地介绍了近场光学的几个基本理论：有限时域差分法（FDTD）、散射扰动理论、复合多极子方法、格林函数法及并矢传播子理论;然后从偶极子模型出发，分析了偶极子辐射的横向和纵向近场分布，并从偶极子多次散射理论获得了基于半宽度的光学分辨率，同时利用镜像法从理论上分析了近场光的耦合作用，从数值的分析中获得了近场光学显微镜分辨率的一般特性，从而深入解析了近场中光和物质的相互作用问题;最后构造了一种新型的倒金字塔形棱镜，主要以高斯光束作为光源，分析了在光束全内反射时在棱镜表面形成的倏逝场、倏逝波干涉场及其传播特性，在理论上得到倏逝波的一维、二维干涉场的分布以及干涉场对纳米粒子的光学作用力，这种光学力表现为较弱的散射力和较强的梯度力，通过数值计算，可以发现：与普通倏逝场相比，倏逝波干涉场将增大光学力的作用范围，增强光学力的作用强度，在棱镜表面附近形成了许多排列规律的稳定的粒子平衡位置，一维干涉倏逝波干涉场中粒子将形成链状排列，二维干涉倏逝波干涉场中粒子将形成点阵排列;论文末尾也采用射线光学模型对Mie粒子在高斯光束中的光学力作了简要介绍。上述分析可以进一步认识近场光学的特点，为新型近场探测仪器等开发提供必要的理论支持。

关键词：近场光学偶极子镜像法分辨率高斯光束梯度力散射力

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基于超短脉冲激光的纳米粒子捕获

基于超短脉冲激光的纳米粒子捕获

作者：张东洁电子科技大学

学位级别：硕士

光镊技术是利用一束强聚焦的激光光束作为光源,激光照射到粒子上时,光束会产生作用于粒子上的辐射力,从而捕获和操纵微粒的一项技术。常说的光镊就是单光束梯度力光阱,激光光束经过聚焦,在已聚焦的光束束腰的附近产生很高的场强梯度形成... 详细信息

光镊技术是利用一束强聚焦的激光光束作为光源,激光照射到粒子上时,光束会产生作用于粒子上的辐射力,从而捕获和操纵微粒的一项技术。常说的光镊就是单光束梯度力光阱,激光光束经过聚焦,在已聚焦的光束束腰的附近产生很高的场强梯度形成力,这种力的量级达到皮牛顿,依靠这个力来三维稳定捕获和操控微粒。因此,激光束对粒子的辐射力的研究就十分重要。近年来大量的新型激光束被应用到作用于微粒的辐射力的研究上,研究范围也从连续波激光束扩展至超短脉冲激光束。因此本文分别研究了连续激光波光镊和超短脉冲激光波光镊,本文的重点工作如下：1、在反常涡旋光束的传输特性的基础上,详细分析了聚焦的反常涡旋光束在近轴限制下对瑞利介质球的捕获的影响,并且讨论了反常涡旋光束不同的拓扑荷数和光束阶数在辐射力上的影响。基于瑞利散射理论在理论上和数值上分析了近轴近似情况下反常涡旋光束对纳米粒子的辐射力,显示了一束具有合适的光束阶数和拓扑荷数的强聚焦的反常涡旋光束,可以用来捕获和操纵一个绝缘的球形纳米粒子,这个介质球的折射率可以是大于或者小于周围的环境。另外还详细讨论了反常涡旋光束的阶数和拓扑荷数的不同对于辐射力的影响。不仅如此,本文还着重分析了稳定捕获瑞利粒子的条件。2、本文进一步提出用脉冲激光取代传统连续激光脉冲激光作为光源来捕获纳米粒子。在理论上重点研究了脉冲光镊作用于粒子上的辐射力,对脉冲持续时间,光束阶数和拓扑荷数三个参数对于辐射力的影响做了重点分析,并且在稳定捕获纳米粒子的前提下对脉冲激光光束的要求做了深入分析。结果表明,对于给定的粒子脉冲间隔与脉冲持续时间的比例应选用严格,除此之外有些参数也存在于传统连续光镊中。

关键词：瑞利微粒梯度力散射力反常涡旋光束超短脉冲光束

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光束作用于瑞利微粒辐射力的研究

光束作用于瑞利微粒辐射力的研究

作者：刘玉娜浙江大学

学位级别：硕士

激光捕获技术是利用光辐射力来捕捉、移动和操纵微粒的先进技术。光镊即单光束梯度力光阱是通过在高度聚焦的激光束的束腰附近所产生的极高的场强梯度来形成皮牛顿量级的力,可以三维的稳定捕获和操控微小粒子。因此,激光束对粒子的辐射... 详细信息

激光捕获技术是利用光辐射力来捕捉、移动和操纵微粒的先进技术。光镊即单光束梯度力光阱是通过在高度聚焦的激光束的束腰附近所产生的极高的场强梯度来形成皮牛顿量级的力,可以三维的稳定捕获和操控微小粒子。因此,激光束对粒子的辐射力的研究显得十分重要。近年来大量的新型激光束被应用到作用于微粒的辐射力的研究上。本文介绍了光镊技术的研究背景、历史意义以及国内外的研究现状,介绍了光镊技术的基本原理和光镊的三种基本模型。基于瑞利情况,我们详细介绍了瑞利范围内的粒子俘获力。在奇异空心光束的传输特性的基础上,详细分析了奇异空心光束作用于瑞利介质微粒的辐射力的情况。并理论分析了高聚焦高斯光束作用于瑞利金属微粒的辐射力。在以上理论研究的基础上综述了光镊的实验装置,分析了组成光镊装置的各个部分的要求,并自行搭建了简易光镊装置,成功实现了对介质微粒的捕获。

关键词：瑞利微粒梯度力散射力奇异空心光束高斯光束

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光俘获粒子的物理机制研究

光俘获粒子的物理机制研究

作者：黄迪华东师范大学

学位级别：硕士

在过去的50年中,光学微操控逐渐成为物理学,化学和生物学等领域中不可或缺的重要技术。光学微操控的对象可以是几十纳米到几十微米量级的粒子,在生物学上,这意味着它可用于在单分子或者细胞、亚细胞水平上研究生物学过程,并且不会对细... 详细信息

在过去的50年中,光学微操控逐渐成为物理学,化学和生物学等领域中不可或缺的重要技术。光学微操控的对象可以是几十纳米到几十微米量级的粒子,在生物学上,这意味着它可用于在单分子或者细胞、亚细胞水平上研究生物学过程,并且不会对细胞造成破坏。光学微操控最重要的成果之一是稳定地俘获原子或微观物体,而光镊是实现稳定的光学俘获最基础也是最常用的手段之一。然而,与光学俘获广泛的实验应用相对比,其理论研究却相对不完善。自Ashkin在1983年和1992年分别给出小尺寸瑞利粒子和大尺寸几何粒子的光学俘获严格解释后,中间尺度的米氏粒子的光俘获一直没有完整清晰的理论解释。主要是因为分别严格计算出米氏粒子所受的梯度力和散射力是一个未解的难题,而梯度力和散射力对于探讨光学俘获的物理机制至关重要。本文将基于数值和解析的方法来讨论光镊系统下光俘获粒子的机制。米氏粒子光学俘获一直被认为是保守的梯度力比非保守的散射力数值上更大引起的。这个理解应该来自瑞利粒子光学俘获的物理解释,因为米氏粒子被认为是瑞利粒子的简单延伸。但我们的研究发现并不是这样的,基于对任意大小尺寸粒子的梯度力和散射力的严格分离,我们发现在某些方向上,米氏粒子所受散射力的最大值大于梯度力最大值,直观理解这样会导致俘获的失败,但事实并不是这样。梯度力最大值和散射力最大值并不作用在同一条线上,而是创造了“光力阱”。当靠近“光力阱”的边界时,粒子会被梯度力拉回“光力阱”的中心,而比梯度力最大值还大的强散射力存在于“光力阱”之外。因此,米氏粒子的光学俘获应归因于“光力阱”的构建,而不是梯度力和散射力的大小比较上。我们还对“光力阱”的几何性质进行了研究,发现“光力阱”近似地是一个处于光束中心的三维球形空间。同时通过对“光力阱”的定量分析,我们发现“光力阱”的半径与被俘获的粒子半径大致相等。我们的结果可能会有助于理解包括胶体粒子和生物大分子在内的米氏粒子的囚禁、排布、分类,以及腔光力学中冷却和纳米机械运动等微操控和现象。

关键词：光学俘获光力 Mie散射理论梯度力散射力