飞秒光镊技术及其发展

激光捕获技术是利用光辐射力来捕捉、移动和操纵微粒的先进技术。飞秒光镊在实现粒子微纳操纵的同时还伴随着非线性现象的发生。阐述了飞秒光镊的模型和原理以及系统的各种结构形式,包括单光束梯度力光阱、贝塞耳光阱、双光束光纤光阱和冲击波光阱几种形式,并分析了每种形式的特点。     

轴向多光阱微粒捕获与实时直接观测技术

传统的光镊技术使用单个物镜同时进行光学捕获与显微成像,使得捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,无法同时观察到沿光轴方向(即Z向)捕获的多个微粒.本文提出一种轴平面(XZ平面)GerchbergSaxton迭代算法来产生沿轴向分布的多光阱阵列,将轴平面成像技术与光镊结合,实现了沿轴向对二氧化硅微球的多光阱同时捕获与实时观测.通过视频分析法测量了多个二氧化硅微球在轴向光镊阵列中的布朗运动,并标定了光阱刚度.本文提出的轴向多光阱微粒捕获与实时观测技术为光学微操纵提供了一个新的观测视角和操纵方法,为生物医学、物理学等相关领域研究提供了一种新的技术手段.     

小型化可调光镊设计

光镊利用强会聚激光对微粒产生的梯度力来捕获微粒,可以进行无损、远程操控,同时具有皮牛精度的测力特性,已经成为物理学、生命科学和胶体化学等研究领域中不可缺少的研究工具。光镊效应可以表现微小的光子动量和角动量,是物理学的重要教学工具。本文根据高斯光束传播和变换规律,设计具有稳定捕获性能的最小化光镊,并给出了典型参数。光镊系统由捕获激光、光束耦合系统、倒置生物显微镜和大数值孔径物镜组成,成像系统由物镜、摄影目镜和CCD相机组成。本光镊系统具有紧凑特性,同时通过保持物镜后瞳充满度来实现稳定捕获。在该最小光镊系统上,可以根据用户需求增加光镊阱位操控系统、刚度调节系统和其他辅助设备以满足不同操控要求,可以很好地满足科研和教学需求。     

光纤探针型近场光镊光阱力特性研究

基于动量守恒原理,结合麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法,建立了近场空间内激光光镊对纳米微粒的光阱力计算模型.分析了光纤探针型近场光镊的近场分布以及操作纳米微粒时各轴向光阱力的分布情况,并探讨了光纤探针尖端的捕获尺寸、捕获位置和操作稳定性.结果表明:微粒应处于光纤探针针尖的近场空间内才可实现稳定可靠的纳米操作,不同尺寸的微粒具有不同的捕获效果,且随初始位置的不同微粒的捕获位置亦不同.计算结果为激光近场光镊纳米操作装置的设计和制造提供了理论基础.     

光镊轴向阱位操控及器件安装误差对径向阱位操控的影响

光镊利用光学梯度力捕获和操控微小粒子,已经成为深入研究生物分子间相互作用等微观机制的独特技术.光镊光束操控系统一般由扩束输入镜、扩束输出镜、调焦透镜、耦合透镜和压电转镜等光学元器件组成,以保证物镜后瞳充满的前提下实现光镊阱位操控.光镊阱位的三维精确操控是实现光镊位钳和力钳模式的基本条件.本文根据矩阵光学,对基于无穷远校正显微镜的光镊操控光路进行计算,分析扩束输入镜、调焦透镜和物镜轴向位置调整,以及压电转镜、调焦透镜和耦合透镜安装位置误差对光镊径向阱位操控精度的影响,得到了物镜高度调整基本不会影响光镊径向位置操控,压电转镜和调焦透镜的安装位置误差对光镊径向阱位操控精度影响最大等结论,提出了能够实现径向阱位精确操控的轴向阱位动态操控范围,为光镊设计和操控提供理论和实验指导.     

时域有限差分法利用聚焦光脉冲模拟介质球微粒所受单频光阱力

用三维时域有限差分法对光镊装置中介质球微粒所受光阱力情况进行模拟。根据Richards-Wolf矢量场衍射积分公式对消球差会聚透镜像空间中电磁场分布的表示,在总场空间中实现了对聚焦光脉冲的模拟。聚焦光脉冲与介质球微粒的相互作用,通过离散傅里叶变换提取出单频成分,利用计算光阱力的麦克斯韦应力张量公式,计算单频激光对介质球的光阱力。聚焦光脉冲的引入可以使一次计算得到多个频率下的计算结果。对相同的聚焦装置下介质球受不同频率入射光的光阱力情况进行了计算。计算结果表明使用线偏振光作光源时,大数值孔径聚焦透镜和短入射波长有利于介质球的横向操纵;沿光轴方向对介质球进行纵向操纵,需要大数值孔径的物镜和与之相适应的入射波长。     

光镊系统的组建及光阱效应的观察

光镊是美国科学家Arthur Ashkin于1986年发明的,现被用来操控微小粒子和作为微小力的传感器.随着光镊技术的不断发展,光镊在生物大分子的操控和生物大分子生命过程中动力学研究方面发挥着巨大作用.本文介绍了光镊的工作原理,以及如何利用实验室现有条件,以较低成本搭建了一个简化的光镊系统,并观察了光镊对几种微小粒子的捕捉情况,证实了光阱有一定的作用范围,且其捕获能力随微粒尺寸增大而减小.     

多光阱光镊技术对多个液滴捕获和悬浮控制

光镊技术捕获单个液滴并进行受激拉曼测量,在气溶胶动力学过程的研究方面取得了很大进展。然而,对于大气颗粒物之间通过碰撞完成由外混到内混的转变过程的定量分析,需要实现多种液滴同时捕获、操纵、碰并过程的精密观测。本文报道利用多光阱光镊技术对多液滴进行抓获,从而实现液滴之间的碰并复合过程的观测。为了实现多液滴的抓取,我们在单光镊技术的基础上,引进了声光偏转系统(AOD),这是多光阱光镊的核心技术。可以有效的将单光阱转化为多光阱,从而根据需要抓取一定数量的液滴,同时为后期的多液滴光谱测试奠定了基础。     

光纤探针型近场光镊光阱力特性研究

基于动量守恒原理,结合麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法,建立了近场空间内激光光镊对纳米微粒的光阱力计算模型.分析了光纤探针型近场光镊的近场分布以及操作纳米微粒时各轴向光阱力的分布情况,并探讨了光纤探针尖端的捕获尺寸、捕获位置和操作稳定性.结果表明:微粒应处于光纤探针针尖的近场空间内才可实现稳定可靠的纳米操作,不同...     

光的力学效应及光阱力的测量

介绍一个利用光镊技术直观地演示光的力学效应的实验。简要讨论了开设这一实验的背景和目的，给出了光镊原理、实验装置、光阱力的测量方法和实验安排。     

Calculation and optical measurement of laser trapping forces on non-spherical particles

Optical trapping, where microscopic particles are trapped and manipulated by light is a powerful and widespread technique, with the single-beam gradient trap (also known as optical tweezers) in use for a large number of biological and other applications. The forces and torques acting on a trapped particle result from the transfer of momentum and angular momentum from the trapping beam to the particle. Despite the apparent simplicity of a laser trap, with a single particle in a single beam, exact calculation of the optical forces and torques acting on particles is difficult. Calculations can be performed using approximate methods, but are only applicable within their ranges of validity, such as for particles much larger than, or much smaller than, the trapping wavelength, and for spherical isotropic particles. This leaves unfortunate gaps, since wavelength-scale particles are of great practical interest because they are readily and strongly trapped and are used to probe interesting microscopic and macroscopic phenomena, and non-spherical or anisotropic particles, biological, crystalline, or other, due to their frequent occurance in nature, and the possibility of rotating such objects or controlling or sensing their orientation. The systematic application of electromagnetic scattering theory can provide a general theory of laser trapping, and render results missing from existing theory. We present here calculations of force and torque on a trapped particle obtained from this theory and discuss the possible applications, including the optical measurement of the force and torque.     

光镊力影响因素的计算分析

运用基于T矩阵算法的开源光镊计算工具包对可能影响光镊力的微粒尺寸、相对折射率以及光束模式进行了研究,计算结果表明,这三方面因素都会对光镊力产生显著影响,微粒直径与波长相等、相对折射率尽可能大时选择恰当的光束模式能够产生最佳的光镊捕获效果.     

非线性晶体产生的空心光束中大尺寸粒子囚禁与导引

提出了一种基于非线性ZnSe晶体产生的空心光束与光泳力的大尺寸粒子二维囚禁与一维导引、三维囚禁方案.理论上分析并计算了单个非线性ZnSe晶体产生的空心光束内粒子受到的横向与纵向光泳力,纵向光泳力的大小同粒子尺寸与光束尺寸比例的四次方成正比,与空心光束功率成正比,方向与光束传播方向一致.粒子尺寸与空心光束尺寸越接近时,横向光泳力的大小越大.结果表明该光泳力可以实现对大尺寸粒子的二维囚禁,同时可对粒子进行长距离(米量级)一维定向导引;理论上分析并计算了基于双非线性ZnSe晶体产生的局域空心光束内粒子所受横向与纵向光泳力情况,光泳力与系统参数的依赖关系与单个非线性晶体产生的空心光束中的粒子受力情况类似,不同的是该条件下纵向光泳力指向光束中心.结果表明该局域空心光束可以实现大尺寸粒子的三维有效囚禁.基于非线性ZnSe晶体产生的空心光束或者局域空心光束可以作为大尺寸粒子非接触式有效操控的工具,在现代光学以及生物医学中有潜在的应用.     

Systematical study of the trapping forces of optical tweezers formed by different types of optical ring beams

The technique of optical tweezers has been improved a lot since its invention, which extends the application fields of optical tweezers. Besides the conventionally used Gaussian beams, different types of ring beams have also been used to form optical tweezers for different purposes. The two typical kinds of ring beams used in optical tweezers are the hollow Gaussian beam and Laguerre--Gaussian (LG) beam. Both theoretical computation and experiments have shown that the axial trapping force is improved for the ring beams compared with the Gaussian beam, and hence the trapping stability is improved, although the transverse trapping forces of ring beams are smaller than that of Gaussian beam. However, no systematic study on the trapping forces of ring beam has ever been discussed. In this article, we will investigate the axial and transverse trapping forces of different types of ring beams with different parameters systematically, by numerical computation in which the ray optics model is adopted. The spherical aberration caused by the refractive index mismatch between oil and water is also considered in the article. The trapping forces for different objectives that obey the sine condition and tangent condition are also compared with each other. The result of systematical calculation will be useful for the applications of optical tweezers formed by different types of ring beams.     

时域有限差分法数值仿真单光镊中微球受到的光阱力

本文采用三维时域有限差分法(FDTD)和Maxwell应力张量法建立了单光镊在焦点附近俘获球形微粒的光阱力模型,采用基于球矢量波函数(VSWF)的五阶高斯光源作为仿真光源,得到了准确的光场传播.讨论了光源的波长、束腰、偏振态和微球的半径、折射率对光阱力的影响,分析了在单光镊俘获微球时,邻近微球对光阱力的影响.特别研究了光源的偏振态对微球所受光阱力的作用效果,仿真结果表明圆偏振光比线偏振光对微球的俘获力更大;被光镊稳定俘获的微球,会受到邻近微球干扰,失去平衡状态,改变光源的偏振态可以改变微球的受力状态. 关键词： 光镊 光阱力 介质微球 时域有限差分法(FDTD)     

飞秒激光光镊横向光学力的理论分析

旨在将飞秒激光脉冲序列视为对连续光的周期抽样结果,分析飞秒激光脉冲序列作为光镊光源捕获电介质微粒时产生的横向光学力,并给出受光微粒所受横向光学势阱力的理论模型及计算公式.数值计算结果表明,飞秒激光脉冲所产生的横向光学力能抵消由于布朗运动引起的微粒中心偏移的影响,实现对微粒的稳定束缚.     

Tunable gradient force of hyperbolic-cosine–Gaussian beam with vortices

Gradient force plays an important role in optical tweezers technique. In this paper, the tunable gradient force in focal plane of the hyperbolic-cosine–Gaussian (ChG) beam is investigated numerically. The ChG beam contains one spiral vortex and one non-spiral vortex. Simulation results show that the gradient force distribution can be altered considerably by decentered parameters of ChG beam, topological number of the spiral vortex, and vortex parameter of the non-spiral vortex. Many novel gradient force patterns can occur, which means corresponding optical traps may come into being, including ring optical trap, multiple-point trap pattern, line optical trap, rectangle trap pattern, and rhombus trap pattern. In addition, force pattern evolution principle may also differ significantly.     

红外显微观测被俘获吸光性颗粒

光镊技术被广泛应用在俘获和操纵微纳米尺寸颗粒, 目前被研究学者普遍接受的俘获吸光性颗粒的机理为光泳力. 本文实现了对空气中被俘获的吸光性颗粒的红外显微观测. 当激光器功率为1.0 W时, 成功观测到被俘获墨粉颗粒(直径约7 μm)和甲苯胺蓝颗粒(直径约为1–20 μm)的温升约为14 K, 为光泳力理论提供了强有力的证据. 另外, 首次用可见光显微镜和红外显微镜同时观测到被俘获颗粒的周期振荡现象, 并分析了振荡现象的产生机理. 关键词： 光镊 光俘获 红外显微