操纵微纳颗粒的“光之手”——光镊技术研究进展

光镊是操纵微纳米尺寸颗粒的重要技术手段,已在物理、化学、生物及医学等领域得到广泛应用.综述近年来光镊领域的研究进展,系统介绍光镊研究的主要方向及代表性成果.介绍了光镊技术的理论基础,包括光镊捕获物体的作用机理和几种常用理论模型;按照产生光镊的光束类型将光镊技术分为结构光束光镊、多光束与全息光镊、近场倏逝波光镊、表面等离激元光镊、光纤光镊、热电光镊、飞秒激光光镊及异常光学力光镊,分别介绍各类光镊技术的特点和最新进展;介绍光镊技术在生物样品操纵、分子检测及裸眼三维显示等领域的创新应用,并对光镊技术发展进行总结和展望.     

光机电

我国纳米光镊技术获重大进展中国科技大学研制成功的“纳米光镊系统”,通过了专家鉴定。“纳米光镊系统”装置可在三维空间实现对细胞和生物大分子的复杂组合操控,它标志着我国纳米光镊技术获重大进展。专家认为,该系统各项技术指标达到了国际先进水平,是具有我国自主知识产权的科研成果。“纳米光镊系统”装置复杂、技术要求高、高新技术密集、综合性强,它涉及光学、机械、生物、计算机和图像分析等多学科技术。“纳米光镊系统”成功地实现了纳米精度的光镊系统集成,位移测量达到亚纳米精度,测力分辨率达到飞牛顿量级,时间分辨率达到0.1m s…     

贝塞尔–高斯光束圆孔衍射场的传播特性

用标量Kirchhoff-Huyghons衍射积分导出Bessel-Gauss光束、Bessel光束-Gaussial光束圆孔衍射场轴向及横向场强分布的解析表达式.比较了它们的传播特性,探讨Bessel–Gauss光束在无衍射传播距离上其传播行为依赖于孔半径、束腰参数以及横向波数.     

声光调制器偏振衍射特性的分析

为了研究声光调制器的偏振衍射特性,在声光布拉格衍射理论基础上,构建了由声光调制器、偏振片、功率计和激光器组成的光学实验结构,分析了入射光偏振面方向与各级衍射光强度的关系.结果表明随着入射光偏振面由竖直方向转向水平方向,零级光强度逐渐增大,其功率可达到90μW,高级次衍射光强度较小,最小功率为1μW,衍射级次越高衍射光强度越小,不同方向上的声光优值,声光调制器的各级衍射光强度会随入射光偏振面的转动而变化,高级次衍射光强度受调制频率的影响较大.     

LiNbO_3:Fe晶体全息写入中的光感应光散射

研究了两种典型的光束几何配置下 ,Li Nb O3:Fe晶体的光感应光散射。实验表明 ,晶体散射图样的几何结构相同 ,强度分布和偏振状态不同。在双光束作用下 ,以双光束为公共母线、以其交点为顶点形成四个散射光锥 ,各向异性散射出现在 c轴方向。入射光束偏振平面平行于光轴时比垂直于光轴时更易产生光感应光散射。讨论了光生伏打电流以及衍射效率与入射光的角度关系对光感应光散射空间分布和时间特性的影响。结果表明 ,光感应光散射不仅与光生伏打电流的方向有关 ,而且还受初始散射光分布及衍射效率随光束夹角变化的影响     

亚波长结构纳米孔的近场光学测试

利用微纳加工工艺制作了亚波长结构纳米孔,应用近场光学显微镜(NFOM)对样品进行了近场光学性质的测试,获得了样品的近场光强分布,测得其近场光斑直径约为120 nm,测试结果证明了环形周期性结构对中心纳米孔的增透和聚焦作用,为环形亚波长结构的纳米孔应用奠定了基础。     

共焦生物芯片扫描系统的光学信息量

从光学信息量的表达式出发,研究了激光光斑尺寸和探测器小孔尺寸对共焦生物芯片扫描系统的扫描分辨率及信噪比的影响,并定量分析了在获取生物芯片图像过程中,共焦扫描系统的扫描分辨率和信噪比对光学信息量的制约关系.结果表明,为了获得尽可能大的光学信息量,必须保证激光光斑尺寸小于系统的扫描分辨率,并根据激光光斑尺寸合理地选择共焦扫描系统的扫描分辨率和探测器小孔尺寸.理论分析和实验结果表明,当扫描分辨率大于扫描激光光斑的1.2倍,且探测器小孔尺寸为扫描激光光斑的1.5～2.0倍时,系统的光学信息量较大.     

光镊模型的矢量衍射矩阵化方法与应用研究

光镊是生物物理以及生物工程领域的一种重要工具,光镊模型及其求解是目前的一个研究重点。根据矢量散射的基本原理和米氏散射作用,提出了一种将矢量衍射方程矩阵化的方法,该方法把经过透镜汇聚的入射光束进行平面波分解,结合米氏散射公式与旋转变换,然后导出了散射光场的矩阵形式,最后将该矩阵应用于模拟计算米氏散射的光场。此方法不限制光束的波长,不但简化了运算难度,也获得了与无散射情况下的矢量衍射计算、有散射情况下的瑞利近似计算各自相同的结果。本文的研究方法可应用于具有一定大小粒子的散射计算,为进一步控制光镊行为提供了依据。     

LiNbO3:Fe晶体全息写入中的光感应光散射

研究了两种典型的光束几何配置下,ＬｉＮｂＯ３：Ｆｅ晶体的光感应光散射。实验表明,晶体散射图样的几何结构相同,强度分布和偏振状态不。在双光束作用下,以双光束为公共母线、以其交点为顶点形成四个散射光锥,各向异性散射出现在ｃ轴方向。入射光束偏振平面平行于光轴时比垂直于光轴时更易产生光感应光散射。讨论了光生伏打电流以及衍射效率所入射光的角度关系对光感应光散射空间分布和时间特性的影响。结果表明,光感应光散射     

径向偏振光束的聚焦整形及应用研究

针对径向偏振光束进行聚焦整形的问题,通过调整入射光束的参数、透镜的数值孔径以及衍射光学元件的结构,对调控光束聚焦场的强度分布进行了理论分析,提出了一种利用衍射光学元件对径向偏振光束进行聚焦整形的方法。结合实际应用的需求,设计了2种衍射光学元件,实现了超小光斑及长焦深和光链结构的聚焦场分布。数值模拟结果证实了设计的合理性。     

多涡旋相位径向矢量光束紧聚焦产生多聚焦光斑

对加载对称四涡旋相位的高斯径向矢量光束的紧聚焦特性进行了理论和模拟实验研究。在径向矢量光场加载对称的四个涡旋相位,并调节涡旋相位中心奇点与光场中心的距离,基于理查德沃尔夫矢量衍射理论进行紧聚焦。研究结果表明,在涡旋相位中心与光场中心距离为0.62 w的情况下,聚焦场中得到了5个焦斑的结果,改变涡旋相位间的距离可以调节中心聚焦斑与周围4个聚焦斑的能量分布。     

Propagation properties of a non-canonical vortex beam in a high numerical aperture system

A non-canonical vortex is an optical helical phase structure with the same topological charge of a canonical vortex but different phase distributions. Based on the Richards&Wolf vectorial diffraction theory, the expression for the strongly focused, linearly polarized non-canonical vortex beam is derived, and its propagation properties are studied numerically in the focal region. It is that the transverse focal shift does not only occur in the strongly focused, off-axis (or on-axis) canonical vortex beams, but also can be seen in a strongly focused, non-canonical vortex beam. The transverse focal shift in these two fields have the same form, but the factors influencing them are quite different. It is also demonstrated that because of the transverse focal shift, if both the semi-aperture angle and the phase distribution factor meet a certain requirement, the total field intensity pattern in the focus region can rotate clockwise in the propagation direction, while the intensity maxima will also rotate 180° from the negative half space to the positive half space. The result will provide a new way for controlling the field distribution in structured fields, which may be applied in optical tweezers.     

基于光泵磁探仪的高精度弱磁探测系统设计

舰船磁场信号空间衰减快,且易被近场环境磁场干扰,这就要求有更高精度的微弱磁场探测系统。本文基于自振荡离散波束铯蒸气型CS-133光泵探头,设计了一款高精度的磁场探测系统,对系统的信号处理电路进行了设计和研究,并对光泵探头的探测原理和参数进行了分析和计算。测试表明,本系统具有高精度的磁场分辨率和较好的远场微弱磁信号检测能力。     

宽光谱大视场航空相机模拟器光学系统设计

分析了近红外波段玻璃的材料特性,介绍了一种用于航空相机模拟器的光学系统设计方法,用ZEMAX作了优化设计.给出了光学系统焦距为2 000 mm,相对孔径为1/10,视场角为±5°,光谱范围为0.4～1.0μm的光学系统的设计实例.从像质评定可以看出,系统的质量基本上达到了衍射极限.     

近场测量中零探头研究与设计

在近场仿真的基础上,研究和设计了近场测量中天线低副瓣精确测量需要的零探头。零探头是方向图具有空间滤波特性的探头,它对被测天线的主波束进行了抑制,而对副瓣处方向图变化较小,可提高天线测试的动态范围,提高副瓣测试的精度;设计的零探头,采用了圆波导的高次模差方向图特性,既可作为零探头,又可作为普通探头使用;实际测试表明:零探头达到了设计要求。     

带双负载环形天线的集成光波导磁场探测器

针对电磁兼容测试中对磁场探测的需要,提出一种新型的集成光学磁场探测器,它的探测头是由LiNbO3光波导调制器和双负载环天线构成的。由于电磁感应和电光效应,通过探测输出光强便可得知磁场的相关信息。与传统的磁场探测器相比,它具有体积小,对被测场干扰小的特点,并且能够有效抑制电场的影响,提高了探测准确性。通过设计探测头,得到了满足探测要求的光波导磁场探测器,并对该结构进行了仿真,仿真结果与此前的分析吻合,证实了探测器的设计是合理的。     

非平衡涨落下分子马达输运性质的研究

分子马达是生物体内具有特异性的一类蛋白质.当催化ATP水解时可以产生定向运动.随着光钳技术、微观成像技术等新的实验手段的应用,对分子马达的结构和动力学的研究已达到分子水平.把分子马达看作布朗粒子研究在非平衡涨落推动下周期场中的定向运动为分子马达提供了一种可能的解释.有关分子马达定向运动及能量转换效率还有很多问题尚待解决.     

经卡式光学天线发射的高斯光束衍射特性的研究

激光通信发射系统一般都是采用卡塞格林式望远镜作为发射天线,由于激光通信采用的光源波形为高斯光束,卡式光学系统的主次镜光学结构为环形结构,以往对均匀波经圆孔光阑后的衍射特性并不适用于激光通信。对基尔霍夫衍射公式进行了简化,利用数值计算的方法,利用仿真软件得到了高斯光束通过卡式光学天线之后的远场衍射分布特性,并与近场菲涅尔衍射分布特性进行分析比对,给出了卡式光学结构的最佳遮拦比为0.2,理论上可以达到1.5倍的近衍射极限发射束散角,在工程计算中有一定的应用价值。