光镊的发展——追寻光的力量

光镊是利用光压形成的散射力和梯度力,对纳米级至微米级的粒子进行捕获和操纵的一种工具,日益广泛地应用于物理、生物等领域。本文首先介绍了光镊的基本原理、装置构造、分类,接着讨论了光镊应用的优势与不足并提出相应的改进意见,最后在回顾近些年来光镊在技术和应用层面的新发展的同时,对光镊未来的发展趋势进行了分析和展望。     

基于光镊技术的微细加工

光镊技术及其应用近年来有了很大的进步,目前已广泛应用于生物、医学、物理和化学等领域中,但在微细加工应用方面的研究国内外尚处于起步阶段.从光的力学效应出发,讨论了光镊的原理,提出了基于光镊技术实现磁加工的概念,接着分析了该微细加工方法的理论和加工机理,最后阐述了光镊在微细加工中的特点和巨大的发展前景.     

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。     

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。     

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.     

轻便灵活的激光镊子

光纤是光通信领域广泛应用的元件,光镊是非侵入式微操作工具.将光纤应用于光镊,利用光纤实现光学势阱发展了光镊技术,吸引了研究者的广泛兴趣.介绍了基于单模光纤微探针的光镊技术,综述了技术的原理、基本装置、关键问题以及近年来国内外研究现状.光纤光镊轻便灵活,增大了光镊捕陷范围和操作灵活度,其与微流道、微芯片、激光计量和光谱仪等设备的结合,使得光镊的应用推广到更多领域.     

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。     

采用玻尔兹曼统计法分析光阱刚度的测量精度

考虑高精度的光阱刚度测量是光阱力测量的关键,本文提出了采用玻尔兹曼统计法来分析光阱刚度的测量精度。首先,描述了实验室搭建的近红外光镊系统,并将其搭建在暗室中的气垫平台上,以便隔离光干扰和振动干扰。然后,用四象限光电探测器探测被光镊捕获的微球向后散射的光,并选用与溶液黏度无关的玻尔兹曼统计法计算样品池底面附近的光阱刚度。最后,分析和讨论了溶液温度的变化、四象限光电探测器的灵敏度、采样频率以及采样时间对光阱刚度测量精度的影响。理论分析及实验计算显示:溶液温度的变化对光阱刚度的测量影响很小,但四象限光电探测器的灵敏度对光阱刚度测量精度影响较大。考虑采样的完整性和数据处理速度,采样频率通常取为被捕获颗粒拐角频率的5~10倍。对于本文搭建的近红外光镊测量系统,采样时间取为1~7s时,可以保证高精度地测量光阱刚度。     

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。     

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。