摘 要

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 光镊的发展 1

1.2 研究的主要内容 1

第2章 探针式光纤光镊的基本理论及研究方法 3

2.1 光镊的基本理论 3

2.1.1光辐射力 3

2.1.2粒子被捕获的条件 4

2.2光纤光镊基础理论 4

2.3有限元方法 6

2.4粒子所受光力的计算 6

第3章 COMSOL建模以及参数设置 9

3.1 COMSOL几何建模 9

3.1.1 COMSOL软件简介 9

3.1.2几何建模以及参数设置 9

3.2 COMSOL物理建模 10

3.2.1激励设置 10

3.2.3 网格大小的设置 12

3.2.4 参数化扫描 13

第4章 仿真结果分析 15

4.1探针式光纤光镊的出射场 15

4.2 网格的剖分对粒子受力情况的影响 15

4.3 探针的二次锥角大小对粒子受力情况的影响 16

4.4粒子尺寸对其受力情况的影响 18

4.5粒子折射率对其受力情况的影响 18

4.6探针的一次锥角对粒子受力情况的影响 20

第5章 结论 21

5.1 主要工作和结论 21

5.2 不足和展望 22

参考文献 23

致 谢 25

摘 要

本文借助多物理场耦合软件COMSOL，对探针式光纤光镊进行了包括几何建模，物理建模，等一系列2D轴对称数值模拟和计算。相比于传统光镊,光纤光镊的优势更加明显，更适用于各种领域。本文对光镊的基本原理和COMSOL软件所基于的有限元方法进行了简单的阐述，通过这种方法，得到了光纤光镊探针尖端的物理出射场，运用数值分析的方法通过光纤光镊的出射场得到了粒子在出射场中所受到的光阱力。

论文详细阐述了用COMSOL对光镊进行建模仿真的过程，主要研究了有限元方法中网格的剖分对仿真结果的影响，光纤探针的一次二次锥角对粒子受力情况的影响，粒子本身尺寸以及折射率对本身受力情况的影响。拓宽了探针式光纤光镊在生物，化学，物理等科学领域中的应用。

研究结果表明：探针的一次锥角越小，粒子受到的光捕获力越大；同样的，探针的二次锥角越小，粒子受到的光捕获力越大；而粒子的尺寸在一定范围内越大，其所受到的捕获力越大。

关键词：光纤光镊;光纤探针；光阱力；COMSOL软件

Abstract

The probe-type fiber optical tweezers are geometric modeled and physical modeled by using COMSOL Multiphysics in this paper.Besides,there are a series of numerical simulation and calculation.Compared to traditional optical tweezers,fiber optical tweezers have much more advantages and they are more applicable to various areas.This paper gives a brief description to the principles and the characteristics of optical tweezers and the finite element method.The physical filed of the probe tip is obtained depending on COMSOL and the force situation of particles in that physical filed can also be calculated by numerical analysis.

This paper describes the process of the modeling and simulation of fiber optical tweezers using COMSOL in detail and studies the effects of mesh generation in the finite element method on simulation results.In the same way,the effects of the taper angle and the size and refractive index of particle on the force situation of particles in the output optical field of optical fiber tweezers.These help to extend the use of the probe-typed optical fiber tweezers in many areas such as physics,chemistry and biology..

The simulation results show that the trapping force increase with small taper angles and large size of particles .

Key Words：fiber optical tweezers; fiber probe; optical trapping force; COMSOL

Multiphysics

第1章 绪论

光镊自被发明以来，就受到了广泛的关注,随着科学研究进入到了微观世界，关于光镊的的研究也日益重要。光镊的理论是基于光辐射力的基础之上，当光镊中的光入射和离开物体表面时，会因为光子动量的改变而在物体表面施加光力，这样粒子就会受到光辐射力的作用^[1]。由于其非接触式，无机械损伤，不会影响到活体细胞的生存等特性，使得光镊特别适合对各种各样的生物标本的非入侵式操作中。在过去几十年中，光镊技术已经成功地被应用在各种领域包括物理，生物，化学，医学等，其主要的应用方向是微粒的移位排列，无接触式操作，测量等等。

1.1 光镊的发展

传统的光镊系统采用了透镜的结构，尤其是传统光镊是在显微镜的基础上，所以整个系统较为笨重，体积较大且成本较高^[2]。同时，激光器发出的光经过扩束，聚焦等过程直接导入显微镜中进行试验，这使得样本移动非常困难，比如说，传统光镊很难捕获到位置处于深孔中的粒子^[3]，这就阻碍了光镊在许多领域的应用，所以需要新的光镊技术来克服这些问题，此时光纤光镊出现了。

光纤光镊是操纵两根或多根光纤来导出光束，构成足够大的光场强度梯度分布，产生光阱力从而来实现光学捕获^[2]，随着光纤端面的微机械技术的发展，光纤光镊越来越廉价，且它有另一个长处就是非常灵活，因为光纤可以使得操纵平台和观察平台分开，这样的操作范围变得比较大，可以弥补了传统光镊的在操作范围上的不足。目前光纤光镊的发展已经比较成熟，主要用锥形尖端光纤光镊，反射型光纤光镊^[4]等等。但是，光纤光镊也存在一些不足之处，比如说光学衍射极限的问题就限制了被捕获的粒子的尺寸，这样导致许多试验无法进行，为了解决这些问题，光镊也在不断的发展，目前出现了微纳光纤光镊^[5]，近场光镊^[6]，孔径光纤探针^[6]等等新的光镊技术。随着为了科技的进步，人类研究领域的不断扩宽，光镊技术将会和更多的技术结合，得到更广泛的应用。

1.2 研究的主要内容

本文的主要工作是利用多物理场耦合软件COMSOL仿真微小粒子处于光纤探针附近时的空间电磁场分布，并以此计算分析粒子的受力。光纤的锥形尖端会产生类似透镜的效果，当光束从光纤端面射出时，会形成汇聚现象^[7]，此时如果有微小粒子位于探针附近，粒子则会受到探针聚焦场的作用，产生捕获力（称为光强的梯度力），把粒子拉向光场变化最快的方向，以及光的散射力，把粒子推离梯度场变化最大的方向，当粒子所受到的捕获力大于散射力时，粒子会被牢牢的捕获在焦点的相邻范围内^[7]。这种装置称为光镊。由于探针锥形区域的尺寸是渐变的，光场在其中传输时，一部分能量将转换为辐射模从探针侧面出射，因此探针的出射光场比较复杂，严格的理论计算比较困难，多采用数值方法做近似计算。