摘 要

单光束梯度力阱即光镊自发明以来，已经被广泛用于物理、化学等领域。用几何光学法来计算光镊中米氏粒子所受的力以及用电磁模型来算出光镊中瑞利粒子所受的力比较接近实际。

本文通过几何光学计算了光镊中米氏粒子所受的轴向光阱力和横向光阱力，并研究了数值孔径和相对折射率对光阱力的影响。其他参数相同时，数值孔径越大，微粒所受的轴向和横向光阱力越大。相对折射率越大，微粒所受的轴向和横向光阱力越大。本文还通过电磁模型计算了高斯光束中瑞利微粒所受的轴向光阱力和横向光阱力，并研究了高斯光束束腰半径和相对折射率对微粒所受光阱力的影响。在其他参数相同时，束腰半径越小，微粒所受的轴向光阱力和横向光阱力越大。光镊对瑞利粒子产生的轴向和横向光阱力随着微粒与介质折射率的比增大而增大，这与米氏粒子相同。

本文还介绍了倒置显微镜式光镊的结构，并介绍了如何选择光镊的元器件。在选择元器件时，应选择能产生TEM₀₀基模高斯光束，工作方式连续或准连续，波长避开微粒吸收峰且功率应尽可能调低的激光器，以及尽量选择大数值孔径的物镜以提高光阱力。最后还介绍了如何通过流体力学法来测量最大光阱力。

关键词：激光技术；光镊；轴向光阱力；横向光阱力；

Abstract

Since the invention of optical tweezers, optical tweezers is widely used in physics, chemistry and other fields now. It is close to the reality to calculate the optical trapping force of the Mie particle by the method of geometrical optics and that of the Rayleigh particle by the electromagnetic model.

In this paper, We will calculate the axial and transverse forces of Mie particles in optical tweezers are by means of geometric optics, and the effects of objective’s NA and relative refractive index on the optical trapping forces are studied. With the same other parameters, the higher the objective’s NA is, the bigger the axial and transverse optical trapping forces on the particles. As the relative refractive index increase, he axial and transverse optical trapping forces on the particles will also increase. In this paper, the axial and transverse forces of Rayleigh particles in a Gaussian beam are calculated by means of an electromagnetic model, and the effects of beam waist radius and relative refractive index of a Gaussian beam on the optical trapping forces of particles are studied. When other parameters are the same, As the beam waist radius reduce, the axial and transverse optical trapping forces will be larger. As the relative refractive index increase, he axial and transverse optical trapping forces on the particles will also grow.

This paper also introduces the structure of optical tweezers with inverted microscope, how to select components. When selecting components, choose the laser that can produce a Gaussian beam of TEM₀₀ fundamental mode, work in a continuous or quasi-continuous mode, avoid the absorption peak of the particle with the wavelength and the power should be as low as possible, and choose the objective lens with a large numerical aperture as far as possible to improve the optical trapping force. Finally, the maximum optical trapping force is measured by hydrodynamics method.

Key Words：laser technology；optical tweezers；axial optical trapping forces；transverse optical trapping forces；

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景与目的 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 课题研究内容 3

第2章 计算米氏粒子所受的光阱力 4

2.1 光线对米氏粒子产生的力 4

2.1.1 光线对界面所产生的力 4

2.1.2 计算光镊对球体所产生的光阱力 6

2.2 微粒中心与焦点在z轴时所受到的光阱力 8

2.3 微粒中心在y轴移动时所受到的光阱力 11

2.4 本章小结 15

第3章 计算瑞利粒子所受光阱力 16

3.1 高斯光束的光强 16

3.2 高斯光束对粒子产生的力 17

3.3 瑞利粒子的轴向光阱力 18

3.4 瑞利粒子的横向光阱力 22

3.5 本章小结 26

第4章 倒置显微式光镊 27

4.1 倒置显微式光镊的结构 27

4.2 倒置显微式光镊的元件 28

4.2.1 激光光源 28

4.2.2光耦合器件 28

4.2.3 物镜 29

4.3 如何测量最大光阱力 29

4.4 本章小结 29

第5章 结论 30

参考文献 31

致谢 33

第1章 绪论

科学的进步伴随着工具的发展，现如今，在科学研究以及生产中，对工具的精度要求越来越高，工具的进步往往也能推动着科学技术的进步。光镊，可以通过光的力学效应来捕获粒子，与传统地机械镊子相比，光镊有非接触，无损伤性，遥控操作等特点。光镊被广泛用于生物学，物理学等领域，为科学发展做出了非常大贡献。光镊仍有很大的发展潜力，其发展前景十分良好。

1.1 研究的背景与目的

物体在被光照射时所产生压力，这便是光压。早在17世纪初期，物理学家开普勒就提出了光会对物体产生压力。而在19世纪末期，Maxwell提出了电磁波理论。理论指出光也是一种电磁波，在与物质相互作用的过程中传递能量与动量。在1899年，俄国科学家列别捷夫观察到了光对固体产生了压力并于1901年第一次观察并测量到光力。这为应用光的力学效应奠定了基础。

光的力学效应十分微小，由一般光源产生的光压微小到难以探测，这使得对光的力学效应的应用进步有限。到19世纪60年代，红宝石激光器等许多激光器的发明使得对光的应用达到新的高度。激光亮度极高，能达到普通光源难以达到的高亮度，同时激光具有良好的方向性以及具有高单色性以及高相干性。这使得对光的力学效应的应用得到了广泛发展。在20世纪80年代，朱棣文与Claude Cohen·Tannoudji以及William D.Phillips利用光的力学效应减慢原子的速度使原子接近绝对零度^[1]。在1970年ATamp;T贝尔实验室的A.Ashkin首次利用两束激光光束操控了介质中的微粒^[2]，在1986年，A.Ashkin首次使用一束高会聚激光实现了在空间中稳定操控微粒 ^[3]，这种利用激光来操纵物体的技术便被命名为光镊(Optical Tweezers)。通过这项成果，他获得了2018年的诺贝尔奖。