血红细胞的横向光阱力及光驱动双折射微粒的研究

论文摘要

从20世纪30年代人们就开始探索实现光致旋转的方法。光镊出现后,利用光镊来研究光致旋转得到了人们的关注。光致旋转可实现对微粒的角向操纵,这是在光镊对微粒的三维操作基础上又增加了一维角向的操纵,对微操纵的应用具有重要意义。利用光镊研究光致旋转的优点在于光镊对粒子的无机械接触的捕获和悬浮的功能,避免了粒子与样品池底面或其他粒子的接触,从而避免了它们引起的阻力和干扰。课题内容包括光镊和光致旋转效应的原理、横向光阱力和光扭矩的定量计算和数值仿真、对血红细胞和双折射粒子的实验研究。首先,在光阱力的定量计算方面,对血红细胞受到的横向光阱力进行了理论计算和数值仿真,根据仿真结果讨论了光镊实验系统的各参数与光阱力的关系。其次,从理论上分析了偏振光束与双折射晶体粒子的相互作用机制,并分别讨论了由于光束自旋角动量和轨道角动量向双折射晶体粒子的传递所导致的光致旋转效应的原理。在给定参数条件下,对光扭矩进行了数值仿真,根据仿真结果,讨论了微粒半径大小和光轴取向等参数对光扭矩的影响。最后,根据理论研究结果,利用光镊装置,选择了合适的实验参数,对血红细胞受到的光阱力进行了测量,并分析了误差因素。又对双折射粒子进行了光致旋转研究,测量了在偏振光的作用下微粒的转动频率,画出了微粒转动频率和激光功率的关系曲线。光镊中微粒的光致旋转不但是一种有效的微机械马达,而且可以把旋转着的粒子操作到另外一个粒子附近带动这个粒子转动,从而为光驱动微机械马达的转动研究和实际应用提供了一种有效手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的背景及意义
• 1.2 国外光镊及其旋转技术的发展与研究现状
• 1.2.1 光镊技术的发展与研究现状
• 1.2.2 光致旋转技术的发展与研究现状
• 1.3 国内光镊及其旋转技术的发展与研究现状
• 1.4 课题来源以及主要内容
• 第2章 光镊技术及其原理概述
• 2.1 光镊的定义
• 2.2 光镊的原理
• 2.2.1 光的动量和光压
• 2.2.2 光镊的梯度力和散射力
• 2.2.3 二维光学势阱
• 2.2.4 三维光学势阱
• 2.2.5 旋转光学势阱
• 2.3 微粒的光致旋转条件
• 2.4 本章小结
• 第3章 横向光阱力与光致旋转的理论研究
• 3.1 Mie氏粒子所受横向光阱力的理论分析
• 3.2 横向光阱力的数值仿真与结果分析
• 3.2.1 Matlab 编程语言
• 3.2.2 横向光阱力的仿真与结果分析
• 3.3 光致旋转的理论研究
• 3.3.1 光束的自旋角动量引起光致旋转的理论计算
• 3.3.2 光束轨道角动量引起光致旋转的理论计算
• 3.4 旋转力矩数值仿真与结果分析
• 3.4.1 旋转力矩的数值仿真
• 3.4.2 旋转力矩的结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 横向光阱力与光致旋转的实验研究
• 4.1 光镊实验装置的设计
• 4.1.1 光镊仪器系统的构成
• 4.1.2 光镊装置及其工作原理简介
• 4.2 横向光阱力的实验研究与分析
• 4.2.1 横向光阱力的标定
• 4.2.2 实验数据记录
• 4.2.3 实验数据处理
• 4.2.4 误差分析
• 4.3 双折射粒子旋转的实验研究及分析
• 4.3.1 基本实验操作步骤
• 4.3.2 实验研究
• 4.3.3 实验现象分析
• 4.3.4 实验数据记录及处理
• 4.3.5 误差分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介