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.     

激光功率对光镊光阱刚度标定的影响

光阱刚度是描述光镊对粒子进行操控的重要力学指标,实际使用过程中会受到激光功率的影响。采用均方位移法及玻尔兹曼统计法对搭建的光镊系统进行光阱刚度的标定,利用图像采集方法进行微粒位移的测量,并对两种方法的测量结果进行了比较。为了提高光阱刚度的标定结果的准确性,分析了光路放大倍数、温度变化对最后标定结果的精度影响。结果表明,两种方法进行标定的结果基本相同;光阱刚度在低激光功率（1 mW ~20 mW）范围时随功率近似线性增加,在高功率情况下（25 mW~60 mW）随功率增加不再线性增加,而是趋于一个饱和值。此外,光路放大倍数标定的精确性对标定的精度影响较大,10%的相对误差时,标定结果产生23%的变化,温度对标定的精度影响较小,0.1 ℃的温度变化导致标定结果0.034%的变化。     

光镊技术在生命科学研究中的应用

介绍了光镊技术的工作原理和系统结构,论述了光镊技术工作特点,并结合具体的研究工作,阐述了光镊技术在单细胞、单分子等生命科学研究领域中的应用,最后给出了近年来光镊技术取得的进展和新的应用.     

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...     

两种非球形细胞光镊阱力标定方法的比较

玻尔兹曼统计法和均方位移法是两种可用于对非球型生物细胞在简谐光势阱中光阱力的标定方法. 用数字实验对这两种标定方法进行了比较, 结果表明： 与均方位移法相比,玻尔兹曼统计法不仅适用于各向异性非球性细胞,也适用于非简谐、非对称光势阱中任意形状的生物细胞光阱力的标定,结论与已有直接实验相符.     

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.     

功率谱密度法标定光镊的三维光阱刚度

采用四象限探测器和功率谱密度法,搭建了一套快速标定光镊三维光阱刚度的测量系统.实验中,用四象限探测器记录微粒做受限布朗运动时的位置信息,用功率谱密度法标定光阱刚度,测得了直径0.97μm SiO2小球和直径1μm PMMA小球的光阱刚度与激光功率的关系.结果表明:对于SiO2小球,当激光功率为50~120mW时,光阱刚度与激光功率成正比;对于PMMA小球,当激光功率为80~130mW时,光阱刚度与激光功率成正比.该光镊系统可用于生物、物理等微观领域研究的高准确度测力系统.     

光镊-受激拉曼光谱技术测量SO2与悬浮NaCl单液滴的氧化反应动力学速率常数

硫酸盐是大气雾霾颗粒中一种重要的二次无机组分,但是有关大气硫酸盐生成机制的认识,目前还存在很多不足。同时,现有的空气质量模型也往往存在对硫酸盐生成量的低估问题,无法有效复现外场观测结果。因此,深入研究大气硫酸盐的生成机制,对理解雾霾成因、实现大气污染的精准防控具有重要意义。本研究利用光镊-受激拉曼光谱技术观测了SO_2与NaCl液滴的非催化氧化反应过程,液滴半径在反应过程中的纳米级变化可被精确测量,实现了反应过程的实时、原位观测。根据测定的反应速率,求算了SO_2氧化过程的拟一级反应速率常数k,同时研究了相对湿度、SO_2浓度对反应的影响。结果表明,相对湿度变化引起的液滴离子强度变化对k值具有显著影响,湿度由～60%增加至～90%时,k值下降约1个数量级。而SO_2浓度提升会使得液滴pH减小,导致k略微下降。对反应过程的机制讨论表明,SO_2在NaCl液滴中的非催化氧化过程体相反应、界面反应可能均有贡献。     

光镊技术在气溶胶物理化学表征中的应用

有机气溶胶的热/动力学研究是多学科交叉的前沿研究领域,其核心问题主要是非理想混合包括挥发性、液-液相分离、非平衡传质动力学等,精确测量这些过程相关理化参数是目前研究的瓶颈。光镊系统可以悬浮气溶胶单颗粒,获得高信噪比受激拉曼光谱,在研究气溶胶物理化学性质与其大气效应中具有独到优势。被广泛用于有机及其与无机混合体系气溶胶的吸湿性、挥发性、水传质动力学、液-液相分离过程研究中。本文综述了激光悬浮气溶胶单颗粒技术的研究进展,主要包括光镊技术的原理和技术手段,以及在气溶胶关键物理化学参数测量中的应用。通过光镊系统,一方面可以获得重要理化参数的精确结果,另一方面可以对实际环境中悬浮液滴的状态进行模拟测量,从而为大气科学的研究与污染治理提供重要支撑。     

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)     

基于低损光学相变和超透镜的可控多阱光镊

为提升光镊在三维空间中对粒子的捕获性能,本文设计和分析了新型的双阱和多阱超透镜光镊方案.首先基于低损耗相变材料Sb₂S₃设计了可控超透镜双阱光镊,并对两个半径为250 mm的SiO₂粒子所受光力进行了矢量横向分析和轴向分析.仿真实验结果表明,当Sb₂S₃在晶态下时,超透镜捕获的两个粒子的横向光阱刚度k_x分别达到了约25.7 pN/(μm·W)和37.4 pN/(μm·W),轴向光阱刚度k_z均约为10.0 pN/(μm·W);而当Sb₂S₃在非晶态下时,k_x和k_z值均降低到其对应晶态下的1/10,且此时粒子在z方向上不能被稳定捕获,从而实现了在三维空间中对粒子的可控捕获.进一步本文给出了阵列式的可控多阱光镊.通过调控相变材料Sb₂S₃的晶态和非晶态,能形成不同组合粒子的三维捕获方案.这些新型可控光镊可实现多...     

硅基纳米光镊结构的热分析和捕获特性

针对金属纳米光镊结构进行捕获时存在的光热效应问题,设计了一种硅基双纳米球的光镊结构。采用基于三维频域有限元的算法,对比分析了硅基双纳米球与金基双纳米球结构的增强场分布以及在对聚苯乙烯颗粒捕获势能相同条件下的热效应,发现硅基结构具有发热小、在高光场强度下捕获稳定性好的优点。对所设计的硅基双纳米球结构对聚苯乙烯颗粒的捕获特性进行模拟分析,在稳态场下研究了不同直径颗粒在不同位置受到的捕获力情况。研究结果表明,硅基纳米光镊结构在对微粒进行稳定捕获的同时可有效降低结构热效应带来的影响。     

用于可控式粒子捕获和轴向往复运动的电流调制型单光纤光镊

提出一种基于电流调制的新型单光纤光镊。通过将经电流调制的980 nm激光注入单模光纤,光纤探头的输出功率发生周期性变化,实现了对粒子运动距离和运动速度的可控式操纵。此外,通过调整盖玻片的倾斜角度改变溶液蒸发力的大小,实现了对粒子的稳定捕获。在构建平面锥形纤维探针的基础上,搭建仿真模型,分析粒子的受力情况,并进行实验验证。实验结果表明,通过对激光器的驱动电流进行调制,可以操纵聚苯乙烯小球实现长达22.76μm的粒子运输,且粒子的运动速度与激光器的调制电流有关,实验结果得到了数值模拟的支持。所提方法使得粒子捕获点的可变式调节和粒子的长距离轴向可控式运输成为可能。     

多量子阱光波导中非线性TM波的有限元解

本文用有限元法分析了任意非线性介质的多量子阱(MQW)光波导中传输与总光功率有关的TM波性质。用简单的迭代过程得到目洽解。给出了MQW波导具有不同非线性机理时,非线性TM波的色散关系、磁场(Hx)以及二个电场(Ey和Ez)的分布。结果表明:分子取向机理的光波导对非线性TM模存在不同的功率限制作用。     

ZnSe-ZnTe多量子阱室温下的反射型皮秒激子光双稳

本文首次研究了ZnSe-ZnTe多量子阱在室温下的反射型皮秒激子光双稳,实验结果表明,ZnSe-ZnTe多量子阱在室温下的反射型皮秒光双稳的阈值光强和对比度分别为1.1MW/cm²和6:1.根据测量得到的ZnSe-ZnTe多量子阱在室温下的激子吸收光谱及激子的非线性吸收理论,归结ZnSe-ZnTe多量子阱室温下的皮秒光双稳的主要非线性机理为ZnSe-ZnTe多量子阱的激子饱和吸收引起的折射率变化.     

ZnSe－ZnTe多量子阱室温下的反射型皮秒激子光双稳

本文首次研究了ＺｎＳｅ－ＺｎＴｅ多量子阱在室温下的反射型皮秒激子光双稳，实验结果表明，ＺｎＳｅ－ＺｎＴｅ多量子阱在室温下的反射型皮秒光双稳的阈值光强和对比度分别为１．１ＭＷ／ｃｍ２和６：１．根据测量得到的ＺｎＳｅ－ＺｎＴｅ多量子阱在室温下的激子吸收光谱及激子的非线性吸收理论，归结ＺｎＳｅ－ＺｎＴｅ多量子阱室温下的皮秒光双稳的主要非线性机理为ＺｎＳｅ－ＺｎＴｅ多量子阱的激子饱和吸收引起的折射率变化．     

采用多量子阱光折变器件的新型相干光通信接收方案探索

探索一种采用多量子阱光折变器件的新型相干空间光通信接收方案,和传统的差拍方案相比,可以省掉繁琐的中频跟踪电子学系统,并对大气光通信传输常见的波面畸变、偏振面无规律变化及多普勒频移等干扰有所抑制。也报道该方案零拍接收以及器件性能研究的实验结果。     

基于LP01和LP11模式共存的单光纤光镊实现生物细胞多路捕获和操纵

提出了一种用于生物细胞多路捕获与操纵的单光纤光镊。基于两种不同模式的光纤错位拼接,实现了LP₀₁和LP₁₁模式共存。该光镊的输出光场具有多个聚焦光斑,能够在多个支路上同时捕获和操纵多个生物细胞。仿真和实验结果表明,该光镊能够在三个支路上同时捕获和操纵多个小球藻细胞,在光镊移动速度约为14μm/s时仍能保持捕获稳定。该光镊结构简单,为生物传感和直接检测生物信号提供了更多可能。     

声光技术的进展

一、声光效应和声光器件 当声波在介质中传播时,由于物质的光弹效应,使介质的折射率发生周期性变化,从而也像相位光栅那样使光衍射.当超声波频率较低,声光互作用区较短时,入射光常被衍射成多级衍射光,这就是喇曼-奈斯衍射.如果超声波频率很高,光沿着适当的角度射入介质并通过较多的超声波阵面,则高次衍射光消失,只剩下0级和1级光,这就是布喇格衍射,这时入射光与衍射光的角度应满足布喇格方程即