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。     

两种单光纤光镊捕获效果的数值仿真与实验研究

采用一种基于时域有限差分(FDTD)的数值算法,仿真计算了抛物线形和大锥角形两种新型单光纤光镊的出射光场,并在稳态场下通过对麦克斯韦应力张量积分求得介质球在两种光场中受到的光阱力,得到大锥角型光纤端产生的光阱力较大的结论;讨论了不同介质球大小、折射率,光纤探针形状对光阱力的影响.在实验中这两种光纤探针都实现了对水中酵母菌细胞的捕获,且采用流体力学法对抛物线形和大锥角形二种新型单光纤光镊产生的光阱力进行了标定.结果表明:基于FDTD数值仿真方法计算受力与实验结果一致,并且这种计算光纤光镊产生的光阱力的方法简单.适用;且抛物线形和大锥角形光纤探头都具备构成单光纤光镊的条件.     

聚焦光场俘获微球的FDTD分析

基于动量守恒原理,采用2维时域有限差分方法(2D FDTD)建立了激光场对微米量级微球的作用力模型,讨论了入射高斯光场的波长、束腰半径、微球的折射率和半径等对聚焦光场俘获力的影响.结果表明：位于聚焦光场中特定位置的微球可被俘获,当离轴距离增加,俘获力减小.微球所受到的俘获力与微球的折射率有关,当小于环境折射率时(如汽泡),不能形成俘获,而被推离光场.模拟结果与其他文献中报道的实验结果一致. 关键词： 光镊 俘获力 时域差分有限方法(FDTD) 动量守恒     

不同偏振态光镊三维光阱刚度的比较研究

为了研究激光偏振态对光阱刚度的影响,本文比较了四种不同偏振态光场(方位角偏振光、径向偏振光、线偏振光、圆偏振光)捕获不同尺寸SiO_2微粒的三维光阱刚度.研究结果表明:当SiO_2微粒的尺寸和激光波长相近时,圆偏振光和线偏振光的三维光阱刚度大于径向偏振光和方位角偏振光的三维光阱刚度;而随着SiO_2微粒尺寸的增加,方位角偏振光和径向偏振光的三维光阱刚度大于圆偏振光和线偏振光的三维光阱刚度.此外,实验也表明:使用浸油物镜捕获微粒时,物镜匹配油的折射率和水的折射率不一致引起的球差,会降低系统对物镜数值孔径的利用.通过这些研究工作,可以为不同偏振态光场的测力研究提供一定的指导和参考.     

基于视觉原理和流体力学法的全息光镊三维光阱刚度测量

为了检测全息光镊的捕获能力,将基于视觉原理的光学测量系统用于全息光镊三维光阱刚度的测量.光学系统采用对称分布的双光源照射样品池,形成两个像点,通过跟踪像点位移获取被全息光镊捕获微球的三维位移信息.结合流体力学法测出本光学系统中单、双光阱的三维光阱刚度.实验结果表明:单光阱中,沿X、Y水平方向光阱刚度相差不大,而轴向光阱刚度落在水平方向的1/3~1/4范围;双光阱中,离光轴(即衍射中心)近的光阱其三维刚度要比距离光轴稍远的光阱要大,说明越靠近衍射中心,光的衍射效率越高,产生的光阱捕获能力也越强.     

采用超连续谱激光的双光束光纤光阱实验

以超连续谱激光器作为捕获光源,首次提出并搭建了超连续谱双光束光纤光阱实验系统,实现了聚苯乙烯微球的捕获和操控。通过改变光纤端面间隔和调整捕获光功率的方式精确控制微球的位置,采用CCD图像分析方法实现了微球位置的精确测量。对微球受限布朗运动下的位置变化进行傅里叶变换,计算得到功率谱,与理论功率谱函数拟合后求出了其光阱刚度。结果表明,捕获光束的功率为28 mW时,光阱刚度达到1.3×10-6N/m,高于相同实验条件下单波长光纤光阱的刚度。与传统采用单色光作为捕获光源的光镊系统不同,超连续谱双光束光阱系统利用其宽谱优势,通过研究被捕获微粒的散射光谱信息可获取其尺寸、折射率等物理特征参数。     

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...     

聚焦透镜的像散对光阱力的影响

根据里查德-沃耳夫矢量积分公式,研究了径向偏振光通过具有像散的大数值孔径物镜后在焦点附近的光阱力。着重研究像散对轴向和横向光阱力的影响。研究结果表明,像散的存在导致了光阱力的势垒减弱,光阱中心的偏移,甚至是改变了有效捕捉区域,这将严重影响了光镊的轴向和横向对粒子的捕捉。通过对改变数值孔径的大小和孔径与光腰的比值,以及对不同大小的粒子捕捉效果的对比,可以改变像散对粒子捕捉影响的程度,从而改善像散对光阱力的影响,这对于光镊等精密仪器的操作是十分必要的。     

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.     

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.     

A study of multi-trapping of tapered-tip single fiber optical tweezers

We develop a pair of tapered-tip single fiber optical tweezers, and study its multi-trapping characteristic. The finite difference time domain method is employed to simulate the trapping force characteristic of this pair of single fiber optical tweezers, and the results show that the number of trapped particles depends on the refractive index and the size of the particles. The trapping force of this pair of tapered-tip single fiber optical tweezers is calibrated by the experimental method, and the experimental results are consistent with the theoretical calculation results. The multi-trapping capability realized by the tapered-tip single fiber optical tweezers will be practical and useful for applications in biomedical research fields.     

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。     

光梯度力与激光捕获

从电偶极子在非均匀电磁场中所受梯度力出发,用光的电磁理论和电解质小球的电偶极子模型,论述了介质小球在光场中所受光梯度力与光强梯度成正比,并以此来定量说明激光对介质小球的捕获原理.     

激光捕获技术及其发展

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。光镊即单光束梯度力光阱是通过在高度会聚的激光束束腰附近所产生的极高的场强梯度来形成皮牛顿量级的力,可以三维地捕获和操纵微小粒子。阐述了激光捕获技术的模型和原理以及系统的基本结构;追踪了激光捕获技术的最新研究进展;介绍了非高斯型光阱、光纤光阱和全息光镊等几种特殊形式,并分析了每种形式的特点。展望了激光捕获技术的发展前景。     

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.     

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.     

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。     

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