光镊技术中的纳米位移探测及其测量误差讨论

光镊系统可以实现微米粒子的纳米精度位移测量，对该测量装置和方法及各种误差来源进行了分析。着重讨论了动态图像分析法，包括灰度重心法和新发展的幂次重心法、二次曲线拟合法。提出了一种对图像分析法边行评估的数值模拟方法，对这三种算法引起的误差进行了数值模拟。结果表明，方法误差与随机噪声的性质有关：在本底噪声为主时，二次曲线拟合法精度高，计算量小。用四像限探测器和图像分析法对固定的微米小球进行了位置测量，二者的标准偏差分别为1nm和0．3nm。在纳米精度的位移测量的基础上，可以实现光阱刚度的测量，并进而测量了微米小球所受到的亚皮牛顿力。基于位移和刚度的精密测量，微小力的测量可以达到飞牛顿量级。     

光阱刚度与实验条件的依赖关系

对微小力的测量是光镊系统的重要功能。主要研究了进行微小力测量时所需的重要参数——光阱刚度与实验条件的依赖关系。在以He-Ne激光器为光源的光镊系统中，得到了光阱刚度随着阱位距离样品池底面高度的提升而减小，随着被捕获小球直径的增加而减小，以及光阱刚度与激光功率具有线性的依赖关系等经验规律，并作了定性的讨论。最后给出了该系统所能达到的测力精度和测力范围。     

粒子的轴向位移对光阱力学参数标定的影响

作为力探针的光阱有两个重要参数，在垂直光束轴的横向上的刚度和逃逸力。对它们的标定精度直接影响到光阱测力的精度。利用信息熵方法，研究了基于流体力学法标定的光阱刚度和光阱逃逸力。结果表明，光阱中的小球在不同横向速度的水流作用下，不仅有横向位移，而且有不同的轴向位移，即所标定的光阱刚度不是同一水平面的光阱刚度，而是一定轴向范围内的平均横向刚度。这是流体力学法标定光阱横向刚度的主要误差来源之一。在逃逸速度下小球从光阱中沿轴向向上逃逸，所以这样测得“代表光阱的捕获能力的参数——光阱逃逸力”只是在轴向逃逸的临界条件下的横向光阱力（等待此时的横向粘滞力），小于最大横向阱力。     

双光阱法测量光阱横向力场分布

提出了用双光阱法测量光阱外缘区力场的方法,建立了双光阱实验装置,其特点是利用一个光阱作为标尺完整测量待测光阱外缘区横向力场分布,测量空间分辨率为10 nm。结合流体力学方法,从实验上给出了完整的光阱横向力场分布。光阱横向力场分布的实验结果与理论计算相符合,对实验结果与理论值存在的差异也进行了分析和讨论,指出了除已有的理论计算采用的几何光学近似模型与实验条件有差别外,粒子在实验过程中伴随的轴向位移也是造成这种差异的主要原因。     

光镊中油浸物镜数值孔径利用率的研究

本文利用光线光学模型,对使用高数值孔径的油浸物镜时,由于折射率的不匹配引起球差,导致光阱捕获力下降的物理原因进行了分析,引进了数值孔径利用率这一参数,并给出了具体计算公式。进而在不同条件下进行了数值计算,给出了数值孔径的利用率与光阱纵向刚度系数的依赖关系。