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物理学报 2017年第1期66卷 42-48页

作者：安莎彭彤周兴韩国霞黄张翔于湘华蔡亚楠姚保利张鹏中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室西安710119 中国科学院大学北京100049

光学俘获技术利用光与物质相互作用产生的光势阱效应来实现对微粒的操控,已经成功应用于生物医学、材料科学等交叉领域.在对微粒进行三维俘获时,传统的宽场光学显微技术只能观测到某一平面内微粒的横向运动,对微粒沿轴向运动的观测受到... 详细信息

光学俘获技术利用光与物质相互作用产生的光势阱效应来实现对微粒的操控,已经成功应用于生物医学、材料科学等交叉领域.在对微粒进行三维俘获时,传统的宽场光学显微技术只能观测到某一平面内微粒的横向运动,对微粒沿轴向运动的观测受到很大限制.本文将轴平面显微成像技术引入光学微粒操控研究中,利用45?倾斜的反射镜把微粒的轴向运动信息转换到横向平面进行观测,与传统宽场显微成像技术相结合,实现了对二氧化硅小球俘获过程横向和轴向运动的同步观测.该成像方法无需扫描和数据重构,具有实时快速等优点,在新型光束光镊、厚样品三维观测和成像等领域具有潜在的应用价值.

关键词：轴平面成像光学微操纵光学俘获光学显微成像

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轴向多光阱微粒捕获与实时直接观测技术

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物理学报 2018年第13期67卷 363-370页

作者：王玥梁言生严绍辉曹志良蔡亚楠张艳姚保利雷铭中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室西安710119 中国科学院大学北京100049

传统的光镊技术使用单个物镜同时进行光学捕获与显微成像,使得捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,无法同时观察到沿光轴方向(即Z向)捕获的多个微粒.本文提出一种轴平面(XZ平面)GerchbergSaxton迭代算法来产生沿轴向分布的多光阱阵列... 详细信息

传统的光镊技术使用单个物镜同时进行光学捕获与显微成像,使得捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,无法同时观察到沿光轴方向(即Z向)捕获的多个微粒.本文提出一种轴平面(XZ平面)GerchbergSaxton迭代算法来产生沿轴向分布的多光阱阵列,将轴平面成像技术与光镊结合,实现了沿轴向对二氧化硅微球的多光阱同时捕获与实时观测.通过视频分析法测量了多个二氧化硅微球在轴向光镊阵列中的布朗运动,并标定了光阱刚度.本文提出的轴向多光阱微粒捕获与实时观测技术为光学微操纵提供了一个新的观测视角和操纵方法,为生物医学、物理学等相关领域研究提供了一种新的技术手段.

关键词：光镊光阱刚度轴平面成像 Gerchberg-Saxton算法

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轴向多光阱微粒捕获与实时观测技术研究

轴向多光阱微粒捕获与实时观测技术研究

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作者：王玥中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

学位级别：硕士

光镊技术凭借其非机械接触、可精确测量微小粒子位移等独特优势,在胶体物理、生物医学等领域得到了广泛的应用。但是,传统的光镊技术使用单个物镜同时进行光学捕获与显微成像,使得捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,无法同时观察到... 详细信息

光镊技术凭借其非机械接触、可精确测量微小粒子位移等独特优势,在胶体物理、生物医学等领域得到了广泛的应用。但是,传统的光镊技术使用单个物镜同时进行光学捕获与显微成像,使得捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,无法同时观察到沿光轴方向(即Z向)捕获的多个微粒。轴向的多光阱微粒捕获与实时跟踪仍然是一个挑战。利用三维成像技术可以实现对轴平面(X-Z平面)的监控,但普通的三维成像技术速度慢,不能满足光镊实时观测的需求。为了解决传统光镊技术三维捕获中的这些问题,我们开展了以下几方面的理论和实验研究。为了实现稳定的轴向多光阱捕获,提出了一种基于轴平面傅里叶变换的Gerchberg-Saxton(GS)算法,可直接产生沿轴向分布的光阱阵列。为解决轴向实时观测的问题,提出了一种基于45°反射棱镜的直接观测样品轴平面的技术方案,利用Zemax仿真软件模拟了采用不同光学参数的反射棱镜系统的成像性能,确定了成像系统的最佳参数。基于仿真结果,将轴平面成像技术与全息光镊相结合,建立了一套轴向多光阱微粒捕获与实时直接观测系统,并开展了横平面和轴平面的同时观测和轴向多光阱捕获的实验研究,通过视频分析法测量了轴向多光阱的光阱刚度。主要研究工作分述如下:1.提出了一种基于轴平面傅里叶变换的GS迭代算法,利用该迭代算法可直接产生沿轴向分布的多光阱阵列。我们所提出的迭代算法与透镜光栅组合法等算法相比较,具有更高的调制效率和调制精度,所产生的沿轴向分布的每个点光阱都具有较理想的高斯强度分布。2.设计了一种基于45°微棱镜的轴平面成像系统。传统光镊技术的捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,这个限制导致其无法同时观察到沿轴向排列的多个微粒。我们设计的轴平面成像系统可直接对样品轴平面成像,与传统光镊技术相比增加了一个新的观测视角,拓展了光学捕获的功能和应用。3.利用Zemax软件对轴平面成像系统进行了成像性能优化,确定了最佳成像参数并进行了实验验证。比较了使用三种光学玻璃(FK54、BK7、SF11)的反射棱镜和反射镜系统的点扩散函数。利用Zernike多项式分析了系统的一阶球差、X方向一阶彗差和X方向一阶像散。综合仿真结果确定了轴平面成像系统最佳成像参数。并对BK7镀膜棱镜和反射镜的实际成像效果进行了验证。4.将轴平面成像技术与全息光镊技术相结合,实现了轴平面的多光阱捕获与实时观测,通过视频分析法标定了轴向多光阱的光阱刚度。利用轴平面GS算法产生了轴向2×2分布的光阱阵列的全息图,捕获了2×2的二氧化硅微球阵列,对捕获过程实现了实时观测。利用视频分析法同时测量了被捕获的二氧化硅微球在轴向光镊阵列中的布朗运动,根据能量均分定理标定了轴向多光阱的光阱刚度。

关键词：全息光镊光阱刚度 Gerchberg-Saxton算法轴平面成像

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