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.     

纳米光镊技术发展与应用的研究

阐述了纳米光镊技术的特点,它将操作和探测精度从微米提高到纳米。归纳和总结了纳米光镊技术最新方面的研究进展,叙述了一些先进组合技术在改进光镊装置构造、操作精度以及校准方面的应用,并在此基础上提出了一些构想和建议。     

阵列光镊的发展与应用

在生命科学研究中和在微量液体环境下分离液体中的细胞、生物大分子或胶体颗粒一直是一项具有挑战性的工作。"光镊"技术自20世纪80年代被提出到现在,在生命科学研究领域已经得到了日益广泛的运用。激光对细胞捕获的作用已得到进一步扩展,二维"光镊阵列"技术是近年来"光镊"技术中最重要的发展之一。讨论了阵列光镊的发展现状及基本原理,分析了它在生命科学中的应用,并对其发展趋势进行了展望。     

基于光纤光镊的粒子捕获与操纵

光镊技术利用光的力学特性实现对微纳尺度物体的操纵,是研究自然科学中微观物质的重要技术手段.光纤光镊因其结构紧凑、便于集成、操作灵活、适用范围广等优点,成为广泛应用于光学捕获和光学操纵的工具.本文综述了近年来光纤光镊在微观粒子光学操纵方面的研究进展,以单模光纤、多芯光纤、环形芯光纤、同轴双波导光纤为例介绍了光纤光镊对目标...     

光镊在生命科学中的应用

由于光镊具有无直接接触、无损伤等诸多优点,且光镊产生的力在皮牛顿量级,正好落在生物大分子相互作用力的范围,所以光镊在生物大分子相互作用测量方面取得了越来越广泛的应用.文章详细介绍了光镊的出现、发展过程以及在生命科学中代表性应用结果.这些结果表明,将光镊应用在生命科学领域,可以揭示或证实许多以前不曾深刻了解的生物大分子的活动规律与机制.     

激光光镊拉曼光谱技术在生物医学上的应用及进展

激光光镊拉曼光谱技术(LTRS)是一种将激光光镊与共聚焦拉曼光谱技术相结合的产物。该技术能够保证在生理条件下捕获、操控、测量在悬浮状态下单个活性细胞并对其进行生物学分析研究。这种在单细胞研究上的独特优势使其越来越受到人们的关注。本文以激光光镊拉曼光谱技术在生物医学上的应用及其技术发展历程为主线,围绕拉曼光谱技术在细胞分选及细胞的特性研究,多光镊拉曼光谱系统,微流控传输系统,多模式分析系统四个方面综述了近些年来光镊拉曼光谱技术如何通过其他技术联用及其技术的改进实现在多数据采集与整合,高效率,高通量和自动化的传输方面的发展,并概述了LTRS技术生物医学上的应用。最后,对其未来的发展前景进行展望。     

光致温度场光镊：原理及生物医学应用

面向生物粒子操控方法的研究,在生物医学和生命科学等领域具有重要意义。光镊操控具有无接触与高精度的特点,已被广泛应用于多个领域的研究中。然而,传统光镊的光热效应以及衍射极限都制约着光镊在生物医学领域的更广泛应用和发展。近十年来,研究者们将光热效应化劣势为优势,利用光与热的耦合效应实现了多种粒子的精确捕获及操控,即光致温度场光镊（OTFT）。由于此种新型光镊对光能的利用率极高,能量密度低于传统光镊近3个数量级,并可实现颗粒的大范围操控,极大地拓展了光镊可操控粒子的种类,已经成为纳米技术以及生命科学领域的重要研究工具。温度场光镊仍面临诸多问题,例如对于颗粒界面调控的依赖性以及三维捕获受限等,尤其是在生物光子学的研究中,还需要进一步发展和优化。本文对光致温度场光镊操控基本原理及其在生物医学中的应用两个方面进行了系统阐述,并对其今后的发展与挑战进行了展望。     

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。     

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.     

第二讲光电子技术在保健医疗和生物学应用中的进展

文章论述了激光与光电子技术在人类保健、医疗以及生命科学应用中的作用和意义.综述了光活检技术、光美容医疗和生物光子技术等光电子技术在保健、医疗和生物学领域中的具体应用.重点介绍了：（1）用于组织病理诊断的光活检技术,其中包括光活检的发展历史、技术优点、研究现状,以及荧光光谱和成像技术等实用光活检技术的临床应用;（2）非消融性光疗的基本作用机制和研究进展;（3）扫描共焦显微术、多光子荧光显微术、近场光学扫描显微术和光镊等显微生物成像技术的工作原理和应用.最后,展望了激光与光电子技术在生命科学中的应用前景.     

远场光钳与近场光钳的发展

以经典光学为基础的光钳技术(又称"光镊")在生物、物理和化学等领域得到了广泛的发展和应用,但是该技术受到高倍显微物镜的尺寸和光学衍射极限等多种因素的制约,从而限制了其进一步发展。而远场光纤光钳和近场光钳技术,从不同方面克服了传统光钳的局限。回顾了传统光钳、远场光纤光钳和近场光钳的发展,着重讨论了各种方法的工作原理、实验方法和技术性能,对这几种光钳技术进行了深入地总结和细致地比较。     

近场光镊技术研究新进展

光镊技术,又称光学捕获技术,它是利用光的辐射压力来捕获和操纵包括电介质颗粒、生物细胞及生物大分子在内的微小粒子的。近场光镊技术利用近场光学倏逝场随距离急剧衰减的特征,可显著地降低捕获粒子的尺寸,实现纳米捕获。追踪了近场光镊技术的最新进展,包括全内反射相干倏逝场、近场光学镀膜光纤探针尖、激光照明金属探针尖和聚焦倏逝场用于近场光学捕获,并对其进行了比较,分析了它们存在的主要问题和未来发展方向。     

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。     

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。     

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)     

Theoretical study of the trapping efficiency of an optical tweezers array system

Optical tweezers have been a valuable research tool since their invention in the 1980s. One of the most important developments in optical tweezers in recent years is the creation of two-dimensional arrays of optical traps. In this paper, a method based on interference is discussed to form gradient laser fields, which may cause the spatial modulation of particle concentration. The parameters related to the optical tweezers array are discussed in detail and simulated by the Matlab software to show the influence of important parameters on the distribution of particle concentration. The spatial redistribution of particles in a laser interference field can also be predicted according to the theoretical analysis.     

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.     

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