摘 要

论文工作主要利用探针式光纤光镊将微粒（如酵母菌细胞）捕获，然后使用精密移动平台控制光镊的运动，测定出粒子的逃逸速度，最后根据斯托克斯定理计算出粒子的捕获力。

论文阐述了光纤光镊原理、发展概况、捕获力测定方法以及光纤光镊系统的构成和各个组件的功能。开展了微粒（酵母菌）的捕获实验，测定了不同激光功率、不同锥角的光纤探针、不同粒子尺寸几种情况下粒子的逃逸速度，并计算出了粒子的受力，绘制了相应的受力曲线，分析了上述三种因素对粒子捕获力的影响，得到了如下结论：

在其他条件不变，只改变激光功率大小的情况下，粒子的受力与功率呈线性关系，即随着激光功率的增大，粒子的逃逸速率增大，粒子的受力也增大；大部分情况下，只改变二次锥角，二次锥角增大，粒子的受力减小。

关键词：光纤光镊；酵母细胞；捕获力

Abstract

The main work of this paper is utilizing probe type fiber optical tweezers to capture the particles (such as yeast cells). By using precision mobile platforms, we control the move of optical tweezers to determine the escape velocity. Then, according to the Stokes’ theorem, we can calculate the trapping force of the particles.

This paper expounds the principle and development general situation of fiber optical tweezers, the method to calculate the trapping force,as well as composition and function of each component of fiber optical tweezers system.Implement capture experiment of particle (yeasts), determine the escape velocity in the situation of different laser power, fiber probes of various cone angle and various size of particles. Then, calculate the force of particles and draw the corresponding force curves and analysis the influence of the three factors discussed above on the trapping force of the particles.The following conclusions are obtained:

When the other conditions are constant, if we only change the laser power, the force of the particles and the power is the linear relationship, the escape velocity and force of particles will increase along with the increase of the laser power; and in most cases, if we only change the second-order cone angle, the force will decrease as the cone angle increases.

Key words: fiber optical tweezers; yeast cell; trapping force

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 概述 1

1.2 光镊技术的发展及应用 1

1.2.1 光镊技术的背景 1

1.2.2 光镊技术的应用 2

1.3 光纤光镊技术 3

第2章 光镊的原理 5

2.1 光镊的基本原理 5

2.1.1 光的力学效应 5

2.1.2 光阱力的分析及其形成条件 5

2.2 光阱力的理论计算模型 7

2.2.1 射线光学模型 7

2.2.2 电磁模型 8

2.3 根据动量守恒原理的光阱力计算法 9

第3章 单光纤光镊系统 11

3.1 系统的基本组成 11

3.2 光阱力的测量方法 14

第4章 捕获实验及结果分析 16

4.1 实验的基本步骤 16

4.2 探针角度的测量 17

4.3 粒子半径的测量 18

4.4 研究结果分析 19

4.4.1 微粒的操控 19

4.4.2 捕获力的测量结果及分析 22

第5章 结论与心得体会 27

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 概述

光学捕获理论是在光的辐射力基础上建立的。光辐射力会在物体与其产生相互作用的情况下发挥作用。因此，激光可以实现对物体的稳定捕获。

在根据光束对尺寸极小的微粒进行相对远距离捕捉的光镊过程中，这种捕获方式属于非机械式的接触法，这样就能有效避免机械损伤，同时也可以保持粒子所处环境的稳定和安全性。另外，光镊还有一个作用就是能够像传感器一样时刻监测微粒相互的影响力。因此，在操控微粒时，光镊是最佳的工具选择；另外，针对微粒静态的研究，包括动态力学的探测分析等，光镊也能发挥很大的作用。然而常规的光镊仪器占据的空间体积较大，而且市场售价也较贵，还有其几何尺寸和短工作距特性等问题，所以常规光镊作为生物粒子微操纵工具的应用受到了限制。最近新兴起的一种光纤光镊，它是利用光纤出射光场构成的，它可以使光学显微镜与光阱操纵分离。这种光纤光镊能够在很大程度上弥补常规光纤使用中的问题，运用也非常方便^[1]。

当前，光镊应用的范围十分广泛，不但可以对细胞以及染色体等进行分离筛选以及捕获等，还能对这些物质进行操控，同时也可以克服细菌的旋转动力，此外，还能够对马达蛋白进行作用力的测定，还可以针对弯曲的细胞骨架做定量分析，包括膜体系统等的定量研究。而且还不断运用到微粒的排列以及捕获操作中，同时也为显微制造带来很大的便利。当光镊技术进一步提升，同时光电器件的性能更加深化、优良，就能进一步扩展光镊的使用空间。

1.2 光镊技术的发展及应用

光镊是单光束梯度力势阱的简称，是由于粒子所受激光场的梯度力形成的一种势能阱，这种势能阱存在一个稳定的平衡点（势阱深度）。

1.2.1 光镊技术的背景

在1864年，来自英国的麦克斯韦最先发现并提出了电磁场理论。这位伟大的物理学家同时也是一位伟大的数学家。另外，他还研究得出了辐射场具有动量的理论，将光压进行论述，证明其存在的合理性，同时还将光压力的计算方程式推论出来；在1901年，列别捷夫成功完成了光压力的实验测量，这位来自俄国的伟大物理学家通过悬体扭秤成功完成实验；到了1905年，爱因斯坦获得了关于光量子的发现，他表示光具有质量，而且是出于动态的光子流，具备一定的动量；德拜则在随后的1909年，提出均匀的球状微粒受到线偏振电磁波的辐射压力，然而这种辐射压极其弱小，而光强也达不到标准，基本没有条件进行实验。到了上世纪六十年代，激光被发明运用，因此才得到了具备相当高强度的光源，这种光源的准直度也比较好^[2]。

列托霍夫于1968年给出了一个关于控制原子的想法，就是运用光场梯度力；紧接着，阿希金等人在美国的实验室进行了激光驱动微粒实验并获得成功，然后再实验中他观察到，当微粒处于横向状态时就会被光束吸收。之后他根据这两种实验的结果，充分运用两束激光进行相对传播，获得了双光束光阱；到了1970年，阿希金等人^[3]最早给出光压能够控制微粒运动的思想，同时还通过若干激光束形成二维的势阱，并顺利完成了水溶液小玻璃珠的控制，比如夹起或者是移动等操控。有针对这种技术进行了改进提升，捕获到的微粒尺寸更小。阿希金等不断坚持进行相关的技术改进以及实验改进等，到了1986年根据比较大的数值孔径显微物镜，将单束激光进行会聚，同时运用这束激光成功捕获了介电微球^[4]。因此也就预示着光镊的产生。

1.2.2 光镊技术的应用

1. 生命科学领域

基于光镊的无机械损伤优势，以及其能够完成对微粒的捕获以及操控活动，所以大范围运用到生物学研究领域^[5-8]，比如对一些生物大分子进行研究，还有一些生物细胞进行研究分析等。可以捕获或者分离筛选细胞等，也可以对马达蛋白的作用力进行需要的定量测定等等。而且将光镊运用在捕获病毒或者细胞^[9]，同时进行操控的行为最早是由阿希金开始的。