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。     

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.     

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...     

基于光纤光镊的长距离微粒可控操纵

在液体中灵活操纵微粒或细胞,特别是将细胞或微粒运输到指定位置,已经被证明在细胞分析、疾病诊断、药物递送等方面有着至关重要的作用。针对细胞或微粒非接触光学捕获的灵活性受限于光纤光镊操纵距离短的问题,提出了一种结构简单且具有长距离非接触可控操纵微粒的新型光纤光镊。利用加热和拉伸技术制作了类锥形平口光纤探针,980 nm的激光经过光纤探针后会对微粒产生大的散射力,将微粒逐渐推离光纤端口,同时借助反向流体阻力,在不移动光纤探针的情况下通过调节激光器光源的输出功率,对轴向位置上直径为6μm的聚苯乙烯微粒可以进行长达102.2μm的可控往返操纵,应用有限元法仿真了光镊的光场强度分布,并采用麦克斯韦应力张量法分析了光镊对微粒的作用力。实验和仿真结果表明,所提出的类锥形平口光镊是可行的。     

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。     

基于光阱力的新型传感技术

光场具有力学效应,光力效应是指当光子与机械振子发生相互作用时能够改变机械振子动量和角动量的能力。基于光阱力的传感技术是利用光动量以及光角动量与光场中物体相互作用产生的光势阱,通过光阱力实现对微小粒子的动力学操控和运动状态监测的新型传感技术。由于光力传感系统具有衰减时间长、检测灵敏度高、精度高、系统体积小等突出优势,在众多前沿领域中发挥着重要的作用,具有极大的发展潜力,成为近年来交叉学科研究的新热点。首先介绍了光力效应的发展历史和光阱力的基本作用原理;然后分别介绍了光阱力在基础物理、量子物理、超高速旋转、生物技术、惯性传感、极微弱力及力矩测量等领域的典型应用;最后总结了国内研究现状,分析了国内外差距和基于光阱力的传感技术的发展特点,提出了下一步我国发展新型光力传感技术的建议。     

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。     

利用光镊系统实现纳米加工的理论和实验研究

阐述光镊形成的基本原理,利用几何光学和动量守恒定律对激光势阱中约10μm大小的高强度微粒子(如:金刚石、碳化硅、石英等)受力进行分析。同时建立了实验装置,通过操纵微粒子的运动,实现对硅表面的纳米加工,并通过实验比较,定性分析最佳加工条件(如:激光功率和加工基底参数)。     

镀膜光纤探针近场捕获的模拟与实验

为提高近场捕获的能力与灵活性,研究了一种利用镀膜光纤探针对纳米微粒进行近场捕获的方法.采用麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法建立了近场中纳米微粒的作用力模型,通过光阱力与其他作用力的比较讨论了近场捕获的稳定性,并根据各轴向光阱力的分布情况分析了纳米微粒的捕获尺寸与捕获位置.结果表明,只有当微粒尺寸小于探针孔径时才存...     

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.     

A simple dynamic optical manipulation technique for label-free detection of biological cells

A dynamic optical tweezers system is employed for generation of an optical trap in continuous rotation for manipulating a biological cell in an aqueous solution. When the rotating speed is increased, the trapped cell experiences an augmented viscous drag force, and eventually it escapes from the trap at the critical rotating speed: when the drag force is greater than the trapping force. With experimental verifications, the method can easily be employed to differentiate cells in terms of trapping forces due to different refractive indices. The proposed method is a simple, robust, accurate and noninvasive label-free technique for cell detection.     

螺旋相位调制双曲余弦高斯光束的梯度力研究

光梯度力在光镊技术中起着非常重要的作用。数值模拟了螺旋相位调制双曲余弦高斯光束在焦平面上光梯度力的变化。研究结果表明:双曲余弦高斯光束的偏心参数、螺旋相位的拓扑数可以显著地调节光梯度力分布,并且会出现一些新奇的光梯度力分布,如构成圆环形光陷阱、矩形光陷阱、阵列光陷阱等;另外,对于不同数值孔径、不同拓扑数,光梯度力随双曲余弦高斯光束的偏心参数的演化规律也显著不同。     

Micromanipulation of chloroplasts using optical tweezers

This paper describes experiments using optical tweezers to probe chloroplast arrangement, shape and consistency in cells of living leaf tissue and in suspension. Dual optical tweezers provided two-point contact on a single chloroplast or two-point contact on two adhered chloroplasts for manipulation in suspension. Alternatively, a microstirrer consisting of a birefringent particle trapped in an elliptically polarized laser trap was used to induce motion and tumbling of a selected chloroplast suspended in a solution. We demonstrate that displacement of chloroplasts inside the cell is extremely difficult, presumably due to chloroplast adhesion to the cytoskeleton and connections between organelles.  The study also confirms that the chloroplasts are very thin and extremely cup-shaped with a concave inner surface and a convex outer surface.     

大型光学镜片的无应力夹持研究

为了尽量减小某系统中的大型反射镜因其自重造成的变形对光学系统精度的影响,应用有限元方法对该反射镜的两种定位支承方式的支承点位置进行仿真分析,从而得到在两种支承方式下减小反射镜工作区变形的最佳支承点位置。     

重力对星载傅里叶光谱仪动镜系统的影响

分析了太空失重对星载傅里叶光谱仪动镜系统的影响。针对动镜系统受重力影响的两个关键因素,提出了解决措施,并设计了实验室验证方法。考虑空间和地面重力环境的不同,分析了动镜未被驱动时重力对初始定位的影响和动镜被驱动后重力对运动机构回复力矩的影响。设计了精密初始机械限位使动镜从固定起始点开始运动控制,并且采用闭环PID控制与在轨可调整期望运动规律相结合的控制方法来校正动镜机构等效扭转刚度的变化。最后,提出了将整个动镜机构倒置的方式进行地面验证,并设计了动镜正、负位移不对称性偏差以及匀速区速度波动的性能测量方法。实验结果表明,正置和倒置时动镜正、负位移的不对称性偏差可以控制在6μm以内,其匀速区的速度波动均方根值分别为1.4%和1.1%。实验显示提出的解决方法简单可靠,性能指标满足傅里叶光谱仪的要求,为动镜系统的空间应用提供了技术途径。     

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.     

多波长激发高分辨率微型拉曼光谱仪设计

针对不同激光波长激发测试样品所需拉曼光谱范围的差异性问题,同时为了保证拉曼光谱仪的小型化及高分辨率需求,提出一种以Czerny-Turner光路结构为基础的微型拉曼光谱仪,通过Zemax光学设计软件对光谱仪的准直镜、聚焦镜、柱面镜、光栅以及CCD的倾角及距离进行了优化。该仪器激光波长为633 nm,光谱范围为640～800 nm。进一步优化光栅旋转角度并配合聚焦镜,可使此光学系统同时适用于激光波长532 nm、光谱范围540～650 nm和激光波长785 nm、光谱范围790～1 000 nm两个波段。拉曼光谱仪分辨率为0.1 nm,该光谱仪在保证高分辨率的情况下解决了不同波段范围光学结构差异性大而导致光机设计很难整合在一起的问题。     

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。