基于T矩阵的激光光阱力计算

在一定条件下,经过高数值孔径聚焦后的激光可以捕获大小从约几十纳米到几十微米范围内的微粒,这种技术叫做光镊,光镊技术广泛应用于许多生物领域.虽然光镊本身结构简单,用单光束就可以捕获单个粒子,但对光阱力的精确计算却存在一定的难度.虽然一些近似的方法如几何光学或瑞利假设可以用来进行光阱力的计算,但这些方法仅在一定限制范围内适用.本文把电磁散射理论作为一种通用的方法来解决光阱力的计算问题,论述了如何使用T矩阵方法进行光阱力计算并给出了一些数值结果,证明了T矩阵方法在光阱力计算方面的能力和效率.此外,本文还分析了一些对光捕陷效率的影响因素.     

BP神经网络用于光镊力的非线性修正研究

光镊是测量微小力的有效工具,力的测量范围和测量精度是光镊系统的重要指标。本研究提出运用BP神经网络方法对光镊系统的力的测量和标定进行非线性修正,并通过实际应用检验,证明BP神经网络方法对光镊系统力的测量进行非线性修正,不仅扩大了光镊系统力的测量范围,而且与多项式拟合方法相比,该方法的精度更高,从而有效提高了光镊系统的性能指标。     

基于视觉原理的三维光阱刚度测量系统

光阱刚度是表征光镊捕获微小颗粒能力的重要参数。文中搭建了一套基于视觉原理的三维光阱刚度测量系统。测量系统中采用波长1 064 nm的近红外激光光镊捕获直径2μm的聚苯乙烯微球,采用基于视觉原理的光路对微球成像,由高速摄像机记录微球的布朗运动。对高速摄像机采集的相邻图像进行亚像素的位移提取,获取微球的三维位移,采用功率谱法得到相应的光阱刚度。     

光阱位置操纵系统的研究

利用He-Ne激光器,在LEICADMIRBE倒置显微镜上建立了可对生物样品进行三维操纵的光镊系统。在光镊的研制过程中,我们重点对光阱的横向位置操纵系统进行了研究。理论分析及实验表明,利用平移反射镜及转动反射镜的方案均可实现光阱位置的横向操纵。本文对平移反射镜及转动反射镜实现光阱位置操纵的机理进行了详细的论述,并对操纵过程中保证光阱质量不发生变化的条件进行了理论分析和说明。此外,比较分析表明,与平移反射镜系统相比,转镜系统在光镊技术中的应用可加快光镊操纵速度、简化光阱位置操纵系统的复杂程度、有利于系统开发成本的减少及开发周期的缩短。     

光镊系统随机漂移建模和误差补偿

针对光镊系统本身噪声对测量精度的影响,提出了一种光镊系统随机漂移误差的有效补偿方法。首先,介绍了时间序列分析法和卡尔曼滤波技术,基于时间序列分析法建立了光镊的随机漂移误差模型;然后,用基于时间序列模型的卡尔曼滤波方法来减小该漂移误差。采用提出的方法对光镊设备实测数据的误差进行了补偿,结果表明：数据的误差方差由补偿前的188.90 nm²减小为8.41 nm²。计算补偿前后的艾伦方差可知,系统在平均时间为1 s时可使最小位移误差从 0.7 nm降低到0.1 nm。得到的结果显示：提出的滤波方法有效地抑制了光镊系统的漂移误差,将其用于双光镊对准可提高捕获光和探测光的对准精度,进而提高光镊系统的性能指标。     

基于光镊技术的血红细胞膜剪切模量测量

为了测量细胞外钙离子浓度对人血红细胞力学特性的影响,提出了一种基于光镊技术的细胞膜剪切模量测量方法。在倒置显微镜上集成光镊系统,可利用双光阱对粘贴微球的人血红细胞进行横向拉伸操控并分析细胞形变与光阱力的关系,从而测量得到细胞膜的剪切模量。通过测量不同浓度氯化钙溶液中血红细胞膜剪切模量,分析了血红细胞力学特性受细胞外钙离子浓度的影响。测量结果显示对比PBS中的正常血红细胞,经浓度为100、200、300、400和500μM的氯化钙溶液处理过的血红细胞膜的平均剪切模量分别减少了7. 8%,20. 3%,34. 4%,48. 4%及59. 3%。为了验证测量结果,建立了血红细胞力学模型并对其施加单向拉伸力进行仿真,得到的仿真结果与测量结果一致。此测量方法为其他细胞力学特性的测量提供了参考。     

激光微束轴向光阱力分析

光镊通过使用经过高数值孔径聚焦后的激光可以对大小从约25nm到100μm范围内的微粒进行三维微操纵.通过使用光镊测量了微小粒子在激光作用下的轴向力,并且对影响捕获效率的一些因素进行了分析.对轴向捕获力与不同激光束腰半径以及不同折射系数之间关系做了讨论.     

激光微束轴向光阱力分析

光镊通过使用经过高数值孔径聚焦后的激光可以对大小从约25nm到100μm范围内的微粒进行三维微操纵.通过使用光镊测量了微小粒子在激光作用下的轴向力,并且对影响捕获效率的一些因素进行了分析.对轴向捕获力与不同激光束腰半径以及不同折射系数之间关系做了讨论.     

光镊技术及其在染色体研究中的应用

引入并介绍光镊的物理原理及其进展,结合详细的医学研究工作,总结了光镊技术在染色体中的具体应用情况。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,故用光镊捕获染色体的不同成分,可实现了DNA分子的扭转和打结,并实现了对人类染色体操控和鉴别。光镊技术有望成为在分子水平上对各种活细胞的检测、诊断的先进工具,具有非常广阔的前景。     

生命科学研究中的光镊技术

光镊诞生18年来,无论是技术本身还是它的应用都有了极大的进展.本文从光的力学效应出发,简要讨论了光镊的原理,介绍了光镊装置的基本结构,并对光镊的独特功能进行了分析,进而对光镊技术及其在生命科学中的应用现状和进一步发展作了评述和讨论.阐述了光镊在生命科学研究中的潜在地位和巨大的发展前景.     

光镊驱动微转子

光镊技术已经成功应用于光学和微功能器件,但是,对光镊驱动复杂微转子所建模型尚不成熟。为了分析光镊的光驱动力和力矩,基于矩量法建立了一种新模型。基于此种模型的分析结果表明改变环境参量是提高光镊工作效率的方法之一,如微转子转动速率与光镊的激光功率成正比,与束腰半径成非线性关系。另一种可以大幅度提高光镊工作效率的方法是改变微转子的形状,数据表明"万字"形微转子的转动效率是相同尺寸的"十字"形转子转动效率的10^-7倍。此外,通过解析力场的分布状态,可得到光压力的主要作用面,为今后的微转子设计提供依据。新模型的另一个优点是耗费时间较少,对于模拟光镊驱动微功能器件具有通用性和柔性。     

隐形眼镜投影测量仪的设计

提出了一种采用光学投影成像和自扫描光电二极管列阵(SSPA)传感器实现隐形眼镜曲率、光学中心厚度和直径测量的新方法,基于此方法设计成功了一种新型隐形眼镜投影测量仪.介绍了仪器的测量原理、仪器结构、光电二极管列阵信号采集以及单片机控制系统的硬件和软件设计.该测量仪测量镜片曲率半径的精度优于±0.1mm,测量镜片光学中心厚度的精度优于±0.01mm,测量镜片直径的精度优于±0.1mm,并能分辨镜片上任何方向大于0.01mm的杂质和表面缺陷.     

Tunable optical tweezers for wavelength-dependent measurements

Optical trapping forces depend on the difference between the trap wavelength and the extinction resonances of trapped particles. This leads to a wavelength-dependent trapping force, which should allow for the optimization of optical tweezers systems, simply by choosing the best trapping wavelength for a given application. Here we present an optical tweezer system with wavelength tunability, for the study of resonance effects. With this system, the optical trap stiffness is measured for single trapped particles that exhibit either single or multiple extinction resonances. We include discussions of wavelength-dependent effects, such as changes in temperature, and how to measure them.     

二维光学自准直微角度传感器

为实现表面微形貌测量以及精密平台的定位测量,设计了一种结构简单的小体积二维微角度传感器。该微角度传感器基于激光自准直原理,主要由作为光源的激光二极管、自准直光路和作为位置探测器的四象限光电二极管组成。分析计算发现,角度传感器的灵敏度与光路中物镜的焦距无关,因此选用了焦距较短的物镜,以实现小体积、高灵敏度的目的。四象限光电二极管具有二维位置探测能力,利用其作为光电转换装置,微角度传感器可以同时探测两轴角度变化值。实验结果表明,微角度传感器的体积可达到25×20×13 mm3,角度测量范围±1 200 arcsec,分辨率为0.1 arcsec。实验中利用激光自准直仪进行对照,有效验证了这种新型二维光学自准直微角度传感器的可行性。     

用于激光频率参数测量的飞秒光学频率梳

近年来随着光纤制造技术和飞秒激光技术的成熟,以掺铒(Er)光纤光学频率梳为代表的频率梳技术,逐步突破了光学 频率测量领域,在长度测量、精密光谱分析、超低相位噪声微波频率产生、精密时间频率传递、温度测量等领域发挥出越来越重 要的作用,已成为许多高端科研领域的基础性工具。 但飞秒光学频率梳所解决的重要问题是对激光频率进行测量。 本文主要 面向激光频率参数测量的需求,研制基于掺 Er 光纤飞秒激光器的光学频率梳,在实现光学频率梳稳定运转的前提下,通过非线 性光学频率变换技术,实现光谱范围从掺 Er 光纤光学频率梳的中心波长向各个待测激光波长的转换,并完成与多个不同波长 激光的拍频信号探测。 目前已验证的飞秒光梳可测频率范围为 500 ~ 2 000 nm;频率稳定度和准确度为 10 -16 量级;线宽为 Hz 量级。 该指标满足了激光频率特性参数测量的需求,为激光绝对频率、频率漂移、线宽等参数的测量提供了基础性的测量工具。     

多局域空心光阱及其光场调控

本文通过一种产生多局域空心光阱的光学系统,研究了光阱位置与反射镜偏转角度的关系.基于衍射积分和矩阵光学的理论,分析并计算了入射光源经过光学元件后的光场分布,通过调控反射镜的偏转角度,可以实现光阱位置的任意变换,达到精确捕获和囚禁微粒的目的.当两个反射镜偏转角度的关系为θ1-θ2=90°时,变换的光阱位置在一条倾斜的直线...     

基于外差检测原理的绝对测距性能理论研究

基于双光学频率梳外差原理测距将长模糊距离、高精度和高更新率3个关键测距特性完美结合,使测量性能能够满足航空航天、科学研究和工业生产等众多领域的需求。然而所使用的双光学频率梳的脉冲时域宽度、重复频率及相对差值、脉冲的固有时间抖动等特性都将会影响测距的性能。对基于双光学频率梳外差原理测距进行了全面的理论分析,并数值模拟了数据脉冲宽度、双光学频率梳重复频率差、啁啾参量、定时噪声、脉冲类型等各因素对测距性能的影响。模拟结果在数值上验证了奈奎斯特采样定律对测距精度的显著影响,表明实验中数据脉冲宽度和重频差的选择应严格满足奈奎斯特采样定律;当飞秒脉冲序列存在一定的时间抖动时,重频差越小,测距性能越差;而脉冲的啁啾特性可转化为脉冲宽度的影响,随着啁啾的增大脉冲宽度被压窄,奈奎斯特采样频率对应的重频差临界值也会变小。通过上述数值分析,为研究人员在特定实验条件下优化测距性能提供了重要指导。     

NIM-Sr2 锶原子光晶格钟物理系统研究

锶原子光晶格钟在基础物理研究和时间频率精密测量领域中占有重要的地位。 中国计量科学研究院在第 1 套锶原子 光晶格钟 NIM-Sr1 的基础上,开展了进一步提升光钟性能的研究,研制出了第 2 套锶原子光晶格钟 NIM-Sr2。 NIM-Sr2 的物理系 统在量子参考体系制备、钟激光探寻及系统频移评估等方面进行了重新设计。 在原子炉和磁光阱之间新增真空差分结构,使原 子炉的运行对磁光阱区域真空压力的影响降低到 1×10 -8 Pa;将塞曼减速器中的通电线圈替换为永磁铁,优化了水冷反亥姆霍 兹线圈的缠绕方式,并向外延伸塞曼减速器通光窗口,把磁光阱区域环境温度的不均匀性降低到了 0. 166 K。 系统频移评估表 明,这些物理系统的改进显著减小了 NIM-Sr2 的系统频移不确定度,达到了 7. 2×10 -18 。     

Opto-electronic high-frequency cross-correlation using avalanche photodiodes

Correlation analysis has become an important research tool in the investigation of signals and systems behaviour. We report on a special opto-electronic cross-correlator in which a silicon avalanche photodiode is used as the main component. The internal gain of this photodiode is pulse-modulated with 330 ps FWHM at 126 MHz repetition rate, or is modulated sinusoidally at frequencies of up to 882 MHz, respectively. In the pulsed mode, very weak repetitive optical pulses can be detected with 3 × 10⁻³ photons per pulse sensitivity, and with 10 ps timing accuracy. The second mode offers time-selective signal rejection capabilities with 3 ps time resolution. The opto-electronic cross-correlator can be used in displacement and distance measurement, robotics, time dispersion analysis in optical fibres, transient absorption spectroscopy, fluorescence decay measurement, lifetime-selective fluorescence detection, and in fluorescence signal suppression in Raman spectroscopy.