论文总字数：19830字

摘 要

光镊不仅能实现对微纳米级粒子的精确无损操控，还可以测量皮牛顿量级的力,目前已被广泛应用于物理、化学和生命科学等研究领域。光力的测量是研究光镊技术的最重要环节，捕获力的大小也是评价光镊性能的重要指标。目前，测量捕获力的方法有：流体力学法、功率谱法、热运动分析法、外加周期驱动法，几种方法各有优劣。其中，流体力学法简单易行，通常用来测量最大的光阱力。

本文主要研究了光阱力的测量方法。文章先从研究背景出发，对光镊的国内外发展现状进行了详细的论述，然后介绍了光镊技术的概念、原理及多方面应用，分析了测量光阱刚度及光阱力的四种实验方法，对各自的优缺点进行了阐述与比较，研究了单光束光镊系统的结构组成及各部分功能，最后采用流体力学法，对倒置生物显微式光镊的最大光阱力的测量进行了实验研究。

关键词：光镊；光阱力；光阱刚度；流体力学法

Abstract

Optical tweezers can not only manipulate micro-nano particles, but also measure picotonian force, which has been widely used in physics, chemistry and life science. The measurement of optical force is the most important step in the study of optical tweezers, and the capture force is also an important index to evaluate the performance of optical tweezers. At present, there are several methods to measure the trapping force, such as hydrodynamic method, power spectral density method, thermal motion analysis method and periodic driving method. Among them, the hydrodynamic method is simple and easy to use, and is usually used to measure the maximum optical trapping force.

In this paper, the measurement method of optical trapping force is studied. This article begins with the research background of optical tweezers, which gives a more detailed introduction of development of optical tweezers at home and abroad. Then the concept, principle and application of optical tweezers are introduced, and four experimental methods for measuring optical trap stiffness and optical trap force are analyzed, the structure and function of the single-beam Optical tweezers system are studied. At last, by using the method of hydrodynamics, the measurement of the maximum optical trapping force of inverted bio-microscopic optical tweezers is studied experimentally.

Key Words：Optical tweezers；Optical trapping force；trap stiffness；hydrodynamic method

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 光镊技术的国内外研究现状 2

1.3 论文研究内容及目的 3

第2章 文献综述 5

2.1 光镊基本理论 5

2.1.1 光镊的概念 5

2.1.2 光镊的工作原理 5

2.2 光镊光阱力的测量方法 6

2.2.1 流体力学法 7

2.2.2 热运动分析法 8

2.2.3 功率谱法 8

2.2.4 外加周期驱动法 9

2.3 测量方法的比较 10

2.3.1 流体力学法 11

2.3.2 热运动分析法 11

2.3.3 功率谱法 11

2.3.4 外加周期驱动法 11

2.3.5 讨论 12

第3章 基于流体力学法对最大光阱力的实验研究 13

3.1 基于倒置生物显微式光镊的捕获系统 13

3.1.1 光镊装置 13

3.1.2 光镊各组成部分分析 14

3.2 最大光阱力的测量 15

3.2.1 逃逸速度及最大光阱力的概念 15

3.2.2 实验测量方案 16

3.2.3 实验中的影响因素分析 16

第四章 结论 18

参考文献 19

致 谢 21

第1章 绪论

光与人类的生活密切相关，随着人们对光的本质的越来越深入的研究和探索，光在人类社会生活和科学研究中发挥了越来越重要的作用。光不仅携带有能量，还具有动量。光同物质相互作用的过程中交换动量，从而给物体施加光辐射压力，称为光的力学效应。然而普通光源由于强度不够，产生的力学效应微乎其微，我们很难观测到，因而对光与物质相互作用的研究一直处于停滞不前的状态。直到1960年激光的诞生，创造了高强度、高准直度的光源，给光的力学效应的探索带来了曙光。人们通过一系列研究发现将高会聚激光束聚焦在微小物体上可实现对微粒的捕获和操纵，于是光镊技术问世。光镊自发明以来便作为新的工具和手段，在科研方面表现出巨大的潜力，极大地推动了生命科学、物理、化学等诸多领域的发展。

研究背景及意义

关于光的力学效应的探索，最早可以追溯到17世纪初德国天文学家开普勒对于彗星尾巴背向太阳的解释，他猜测这是因为存在一种太阳风将其吹开，即太阳光压提供了推力。19世纪麦克斯韦创造了光的电磁波理论，提出了光压的存在并计算了其理论值。20世纪初期俄国物理学家列别捷夫首次用实验证明了太阳光压的的存在，并且测出的光压值与麦克斯韦的计算值相符，为光的电磁理论提供了实验支撑。虽然光压的概念很早被提出来，为人们所接受，并被实验证明，但光辐射产生的压力十分微弱，我们无法感知，也难以探测，因而光压力并没有在科学研究中发挥其关键作用，相关实验研究也止步不前。直到1960年，激光这一强准直光源的诞生扭转了局面，促使光的力学效应的研究领域飞速发展，焕然一新^[1]。激光冷却、幽禁原子以及玻色—爱因斯坦凝聚的研究分别获得了1997年和2000年的诺贝尔物理学奖。

在光镊这个领域，美国贝尔实验室的Arthur Ashkin率先展开了研究。1970年，Arthur Ashkin首次发现了激光可以移动粒子^[2]，他用一束1W的连续氩离子激光照射水中的乳胶颗粒，发现微粒在垂直光传播方向上会陷入光束中心，在沿光传播方向上因散射力作用而加速运动。随后，Ashkin又用两束相向的会聚激光产生光学势阱，对粒子稳定捕获。1971年，Ashkin和Dziedzic采用一聚焦激光束对粒子由下而上进行照射，粒子在横向上被梯度力捕获，轴向上散射力与重力达到平衡，形成了一个单光束悬浮光阱^[3]。1986年研究有了进一步突破，Ashkin用一束激光经显微镜高度聚焦后照射水溶液中的介质微粒，在光束焦点处实现了对微粒稳定的三维捕获^[4]，并且轴向上也是被梯度力捕获，称为单光束梯度力光阱，可捕获直径大小从25nm到10μm不等的粒子。这个势阱可自如地捕获并移动粒子，像传统镊子操纵夹持物体一般，因而被称为“光镊”。

光镊的问世为众多科学领域的探索带来了福音。光镊不仅可以操控微纳米尺度的粒子，还能作为力的探针，测量皮牛顿量级的力，这为微观生物学的研究打开了新的大门，对观测生物微粒的结构和功能及生命活动有重要意义。因此，对光镊产生的捕获力的精确计算和测量是光镊技术研究中非常重要的一个方面。目前，光镊技术已经被用来对细胞、细胞器进行捕获、操纵，收集、分选染色体，研究生物马达相互作用，研究DNA包装^[5]等。由于光具有穿透性，且对粒子作用的过程中力施加在整个微粒上，属于远程操控，样品池内环境相当于天然环境，因而光镊对生物粒子的操控是无损的，避免了传统手段带来的机械损伤，是一种理想化的研究手段和工具。随着光镊技术与时俱进的发展，其研究已深入到各个领域，与多项技术结合起来，成为多学科交叉的基础，在生命科学、物理、化学、纳米科技、材料等领域都展现出蓬勃的发展力。

光镊技术的国内外研究现状

光镊技术自发明以来，其相关研究呈现突飞猛进的发展趋势，越来越多的研究人员投身于这个领域，促使其理论研究和相关应用不断创新，展现出巨大的发展潜力。

关于光镊技术的理论研究，主要是用各种数值计算方法来研究光镊对微粒产生的捕获力，其理论模型有三种，几何光学（RO）近似模型、瑞利近似模型和电磁（EM）模型。几何光学模型适用于粒子尺寸大于光波长的情况，瑞利模型与此相反，而电磁模型适用于所有尺寸大小的微粒。对于不同的模型，衍生出许多不同的算法，如角谱法、T矩阵法、时域有限差分法、有限元法等等。现如今，为满足更多新的需求和更广泛的应用，各种新型光镊光场不断诞生，包括涡旋光束、非衍射光束、自修复光束、自加速光束、矢量光束等，通过它们可以实现对微粒的特殊或复杂的操控^[6]，基于此，许多新型光镊，如全息光镊、贝塞尔光镊、偏正光镊和涡旋光镊等也逐渐诞生。

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