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。     

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.     

激光应用 激光生物学

Q6312006010205光镊光阱力计算方法的研究=Study on calculation of opti-cal trapping force on particle from optical tweezers[刊,中]/龙海峰(燕山大学仪器科学与工程系.河北,秦皇岛(066004)),史锦珊∥光电子技术与信息.—2005,18(4).—14-17介绍了一种光镊光阱力的计算方法,并对微粒在已知参数条件下所受的光阱力进行了仿真,深入分析了光阱力和与之相关的光束束腰半径、相对折射率、激光功率等系统参数的关系,对不同参数条件下的光阱力进行了讨论,从而验证了系统参数对光阱力的重要影响,此外还对电磁学模型的光阱力计算进行了阐述。图…     

基于空间光场调控技术的光学微操纵

光镊技术具有无机械接触与高精度操纵微小尺度粒子的优点,自发明以来已逐渐成为生命科学和胶体物理学等领域中强有力的研究工具。随着研究的深入,传统的单光阱光镊已难以满足更高级的应用需求。近年来,空间光场调控技术通过对光场的振幅、相位和偏振态分布的调制,极大地丰富和增强了光学微操纵技术的功能,促进了包括激光微纳加工、微粒分选与输运、胶体粒子物理特性研究等方面的发展。从光场的振幅、相位和偏振态调制技术出发,综述近年来空间光场调控技术的发展及其在光学微操纵中的应用,重点介绍全息光镊、特殊模式光束微操纵、矢量光场微操纵等光学微操纵技术的研究进展。     

基于纯相位液晶空间光调制器的全息光学捕获与微操纵

在经典Gerchberg-Saxton(GS)算法的基础上,提出一种改进的快速三维GS算法获取目标场的全息图(CGH)并用于全息光镊系统中,从理论和实验上充分证明了该算法的快速性和有效性。实验搭建了一套基于纯相位液晶空间光调制器(SLM)的全息光镊系统,实现了对酵母菌细胞和二氧化硅小球等微粒的多光阱、多平面三维稳定捕获和动态操纵。实验上还产生了具有强度梯度的线状光阱和光学涡旋光阱,实现了对微粒的运输和旋转操纵。这种可以对微粒实现多光阱、多平面动态三维操纵的全息光镊系统为生物、胶体物理等研究提供了一种新的微操纵工具。     

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.     

飞秒激光光镊的理论研究

本文从理论角度论证了飞秒激光作为光镊光源的可行性，给出了飞秒激光作用时微粒所受力理论计算公式，并在此基础上给出了对应于不同参数的光镊稳定性图形。我们还进一步分桥了飞秒激光作为光镊光属相对于其他激光的特有性质。     

有限远共轭显微镜光镊设计和误差分析

光镊是研究单分子生物物理特性的独特工具, 因而光镊设备的研发是一个极为重要的课题. 本文根据矩阵光学, 对基于有限远共轭显微镜的光镊操控光路进行计算, 得出了阱位径向操控和轴向操控方程, 并分析了光束调控系统、 共焦系统后置透镜和耦合透镜安装位置误差及物镜轴向位置调整对光镊阱位径向及轴向操控精度的影响. 计算结果显示, 当物镜初级像面和耦合透镜像方焦面完全重合, 光束调控系统和耦合透镜的距离误差对阱位径向和轴向操控精度没有影响. 光镊系统元器件定位不准时, 基于无限远共轭显微镜光镊的阱位径向操控误差和轴向操控误差都小于基于有限远共轭显微镜光镊的阱位径向操控误差和轴向操控误差. 当光镊耦合透镜定位误差控制在小于10 mm时, 基于有限远共轭显微镜光镊的径向和轴向操控误差分别小于5.9%和11.4%, 有限远共轭显微镜仍然存在改造为光镊的价值.本文理论为基于有限远共轭显微镜的光镊设计、改造和操控提供理论和实验指导. 关键词： 光镊 光学设计 矩阵 误差     

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.     

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。     

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.     

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。     

Optical tweezers technique and its applications

Since their advent in the 1980s,optical tweezers have attracted more and more attention due to their unique non-contact and non-invasion characteristics and their wide applications in physics,biology,chemistry,medical science and nanoscience.In this paper,we introduce the basic principle,the history and typical applications of optical tweezers and review our recent experimental works on the development and application of optical tweezers technique.We will discuss in detail several technological issues,including high precision displacement and force measurement in single-trap and dual-trap optical tweezers,multi-trap optical tweezers with each trap independently and freely controlled by means of space light modulator,and incorporation of cylindrical vector optical beams to build diversified optical tweezers beyond the conventional Gaussian-beam optical tweezers.We will address the application of these optical tweezers techniques to study biophysical problems such as mechanical deformation of cell membrane and binding energy between plant microtubule and microtubule associated proteins.Finally we present application of the optical tweezers technique for trapping,transporting,and patterning of metallic nanoparticles,which can be harnessed to manipulate surface plasmon resonance properties of these nanoparticles.     

Manipulation on human red blood cells with femtosecond optical tweezers

Different types of femtosecond optical tweezers have become a powerful tool in the modern biological field. However, how to control the irregular targets, including biological cells, using femtosecond optical tweezers remains to be explored. In this study, human red blood cells (hRBCs) are manipulated with femtosecond optical tweezers, and their states under different laser powers are investigated. The results indicate that optical potential traps only can capture the edge of hRBCs under the laser power from 1.4 to 2.8 mW, while it can make hRBCs turn over with the laser power more than 2.8 roW. It is suggested that femtosecond optical tweezers could not only manipulate biological cells, but also subtly control its states by adjusting the laser power.     

Numerical modeling and theoretical analysis of femtosecond laser tweezers

Optical trapping (also called optical tweezers) is a widespread technique, with a large number of applications in biology and other fields. Taking femtosecond laser pulses as a sampling of CW light, we theoretically demonstrate the feasibility of femtosecond laser tweezers and present the formulae of the induced forces which femtosecond laser pulses exert on micrometer-sized spheres. We also demonstrate the stability condition for femtosecond laser tweezers. As an example, we present the numerical results for a sphere with a radius of 10 mm.     

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.     

Single laser beam fiber optic trap

Optical forces acting on a sphere were experimentally analyzed to investigate the single-beam fiber optic trap using a cleaved optical fiber or a lensed optical fiber. A stable optical trap could be created at the point where the x-directed (horizontal) optical forces were precisely balanced, and the vector sum of axial and transverse forces acting on a sphere gave a restoring force directed back to the stable point. As compared with other embodiments, such as a single-beam gradient trap (optical tweezers) and dual-beam fiber optical traps, this single-beam fiber optic trapping was most economical, much simpler to operate, and required relatively low optical power to capture an object. Furthermore, a lensed optical fiber could easily trap and manipulate a micro object in comparison with a cleaved optical fiber because of the strong transverse optical confinement.     

双光子聚合多次快速扫描机制与小线宽研究

采用自由基浓度起伏理论并考虑光镊集聚效应,理论研究了飞秒激光双光子聚合多次快速扫描的线宽问题。根据双光子光聚合过程中自由基浓度随时间变化的关系,考虑光镊力及自由扩散效应对自由基分布的影响,得到了多次快速扫描加工线宽的表达式。研究了多次扫描过程中产生自由基浓度随扫描次数的变化、双光子聚合加工不同扫描次数下加工线宽随激光功率的变化、多次扫描过程中间隔时间对于加工线宽的影响。多次扫描的线宽表达式可以直接回归至单次扫描的一般公式,且理论结果与文献中实验加工线宽相吻合,两者误差在2%。控制扫描间隔时间,减少自由基的向外扩散运动以及被树脂材料内大分子猝灭,使得活性自由基的分布更为集中,可以获得更小的加工线宽。研究结果为飞秒激光双光子更小线宽加工的研究提供了新的思路,为飞秒激光多次快速扫描加工提供了理论依据。