摘 要

光镊是通过光的辐射压力对微粒实现捕获和操纵的技术，光镊技术能够限制和操控粒子的运动，使用光镊技术能够准确观察单个粒子的运动状况。近年来光镊技术的不断创新发展，说明了光镊操控微粒技术具有与众不同的地位。基于波导的光镊系统是利用光在波导中传播时在波导表面产生的倏逝场来捕获和操纵微粒。波导芯层的场解为驻波形式，在覆盖层和衬底为倏逝波的形式，表面的倏逝波在垂直表面方向迅速衰减，产生极强的梯度力，可以用来捕获微粒，并且波导产生的光学力可以应用于对微粒长距离的运输，空间灵活性很强。本文研究了平面波导光镊的基本工作原理，计算了平面波导产生倏逝场的条件，以及倏逝场的分布和瑞利粒子在倏逝场中的受力，分析了微粒在波导倏逝场中的运动情况。计算分析了微粒所受梯度力与波长和有效厚度之间的关系，结果表明在波导有效厚度为1.8毫米时微粒受到的梯度力最大，波长越短微粒受到的梯度力越大。

关键词：光镊；波导；倏逝场；捕获和操纵；梯度力

Abstract

Optical tweezers is a technique for capturing and manipulating particles through light radiation pressure,Optical tweezers technology can limit and manipulate the movement of particles,the use of optical tweezers technology to accurately observe the movement of individual particles.In recent years, the continuous development of optical tweezers technology, indicating the optical tweezers handling particles with a unique position.Optical tweezers system based on waveguide is the use of light in the waveguide in the waveguide surface generated by the evanescent field to capture and manipulate the particles.The waveguide core layer is in the form of standing wave. In the form of evanescent waves in the cover layer and the substrate, the surface evanescent wave decays rapidly in the vertical surface direction, resulting in a strong gradient force that can be used to capture the particles and The optical power generated by the waveguide can be applied to the transport of particles over long distances, and the space flexibility is very strong.In this paper, the basic working principle of plane waveguide optical tweezers is studied. The conditions of the evanescent field and the distribution of the evanescent field and the force of the Rayleigh particle in the evanescent field are calculated. The effects of the particles on the waveguide evanescent field in the movement of the situation.The results show that the gradient force of the particles is the largest when the effective thickness of the waveguide is 1.8 mm, and the smaller the wavelength is, the greater the gradient force of the microparticles is obtained by analyzing the relationship between the gradient force and the wavelength and the effective thickness.

Key Word:Optical tweezers;Waveguide; Evanescent field;Capture and manipulate;Gradient force

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 其他形式的光镊系统 3

1.4 基于倏逝场的波导光镊系统的优势 3

1.5 本文主要研究内容和结构 4

第2章 基于平面波导的光镊技术原理 6

2.1基本原理 6

2.2 光力 8

2.3 梯度力和散射力 8

2.3.1 梯度力 8

2.3.2散射力 9

2.4光阱 10

2.5光镊系统捕获微粒的基本原理 10

2.5.1 光陷阱效应 10

2.5.2 直接操控微粒 10

2.5.3 间接操控微粒 11

第3章 微粒在波导倏逝场中的受力及运动的模拟与分析 12

3.1 倏逝场的理论分析 12

3.2 瑞利粒子的受力分析 14

3.3场的特征方程 15

3.4 模拟实验结果 15

3.4.1 场分布图 15

3.4.2 金球的极化率关系图 17

3.4.3 金球梯度力与有效厚度关系图 18

3.4.4 金球梯度力与波长的关系图 19

3.4.5 耗散力与有效厚度的关系图 19

3.4.6 耗散力与波长的关系图 20

3.5 结论 21

第4章 工作总结 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

众所周知，实现光学捕获的首要要求是创建强梯度域。许多研究人员利用来自严格聚焦高斯光束的强度梯度已经实现了光学捕获。激光束必须聚焦到一个小点上，这样才能保证快速发散，在轴向方向产生强烈的强度梯度。这被称为单束高斯陷阱或光学镊子。自1970以来，美国的Ashkin发现，米氏介质的颗粒可以被捕获并使用高斯光束聚焦操作^[1]，他一直致力于探索新技术的捕获并在瑞利和原子状态下操纵微粒付出了很大的努力。特别有趣的是倏逝场使用的传播波。这个想法最初是由Cook和霍尔于1980年在原子反射镜中的应用而提出的^[2]。通过相对于谐振频率进行调谐和失谐，原子可以被吸引到高密度区域或从高密度区域排出。之后不久，川田与其同事报道了关于米氏介质的操作、0.5微米金粒子棱镜渐逝区以及通道波导^[3]。随后，纳米光镊是由诺沃提尼、比安和谢利用半径为5nm的金属尖端周围的倏逝场所产生的强度梯度提出来的^[4]。最近，田口和同事对于使用纤维锥形球形抛光端处的倏逝场中聚苯乙烯 颗粒和酵母细胞对重力的悬浮作出了相关报道^[5]。

激光是受激辐射产生的相干光，其亮度非常高，所以当激光束聚焦后与物体相互作用时，会产生相当大的机械效应^[6]。在20世纪70年代，人们开始对激光辐射压力在一个全面和深入的研究，尤其是自然和原子的辐射压力机制在不同的条件下进行了理论计算和实验测量，从而发 展了原子束、激光偏转激光冷却，同时糖蜜和光子原子喷泉实验技术^[7]，对宏观粒子激光压力的研究也得到了发展。光悬浮、光阱和旋光是激光的机械效应形式。