紧聚焦高斯束对多粒子体系的捕获及对非球体的扭转.pdf

国内图书分类号:O431. 学校代码:10213
国际图书分类号:535 密级:公开
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(宋体小 4 号字)



理学博士学位论文
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(宋体小 2 号字加粗)
紧聚焦高斯光束对多粒子体系的捕获
及对非球体的扭转



博士研究生: 曹永印
导师: 陈历学教授
申请学位: 理学博士
学科: 光学
所在单位: 理学院
答辩日期: 2013 年 9 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学


万方数据
Classified Index: O431
: 535



Dissertation for the Doctoral Degree in Science
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(Times New Roman 小 2 号字)

OPTICAL TRAPPING OF MULTIPLE PARTICLES
AND OPTICAL ROTATION OF NON-SPHERICAL
PARTICLES IN TIGHTLY FOCUSED GAUSSIAN
BEAMS
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(Times New Roman 2 号字加粗,题目太长时可用小 2 号字)


Candidate: Cao Yongyin
Supervisor: Prof. Chen Lixue
Academic Degree Applied for: Doctor of Science
Speciality: Optics
Affiliation: School of Science
Date of Defence: September, 2013
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology

(Times New Roman 4 号字)

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摘要
摘要
光镊技术具有非接触、无损伤等特点,因此成为了操纵与加工微观物体的
重要工具。光学捕获与操纵技术受到了全世界众多科研工作者的关注,已被广
泛应用到生物、物理以及化学等众学科领域。经高数值孔径物镜汇聚的(紧聚
焦)高斯光束在光镊研究中最为常见。本文从微粒对紧聚焦高斯光束的散射出
发,旨在研究影响光镊的诸因素以及建立适用于模拟光学捕获与操纵的理论模
型,从而为光学捕获与操纵技术奠定一定的物理基础。
本文利用 T 矩阵算法对紧聚焦高斯光束作用在球体微粒上的光阱力及作用
在椭球体上的光力矩进行了计算,分析了入射光波长、聚焦物镜数值孔径、光
束的偏振特性、球体的尺寸大小以及折射率对球形微粒受到的光阱力的影响。
模拟了位于光轴上的长、扁椭球体受到的光力矩分布,根据光力矩的分布来判
断椭球体在紧聚焦高斯光束中的扭转。分析了光学参数以及椭球体自身因素对
椭球体受到的光力矩的影响。结果表明,长椭球体最终被扭转至光轴方向,扁
椭球体被扭转至垂直于光轴方向。
本文建立了紧聚焦高斯光束捕获多粒子体系的仿真模型,动态模拟了多粒
子体系在紧聚焦高斯光束中的捕获过程及无序运动,计算了不同参数情况下,
多球体系统在紧聚焦高斯光束中被捕获的最大数目,发现了紧聚焦高斯光束对
多球体系统光学集聚的影响因素。对于同一束光束,多球体系统的微粒尺寸越
小,相对折射率越低,能被捕获的球体数目越多。针对长宽比较大的圆柱体,
提出了圆柱体“分段”模型,提出了 T 矩阵精度的概念,发现该模型适用于
100 ~ 800 nm 的圆柱体,且要求 T 矩阵的精度介于 ~ 之间。
在多级散射理论的基础上,研究了反向传播和反向传播双光束中的光学束
缚力,并讨论了入射光波长、双光束焦点间隔、聚焦物镜数值孔径、光束的偏
振特性、球体的尺寸大小以及折射率对反向传播双光束作用在双球体上的纵向
光学束缚力以及同向传播双光束对双球体的横向光学束缚力的影响。结果发
现,不同因素会对光学束缚力产生不同方面的影响。这为多光阱光镊的研究提
供了理论依据。
探索了非球体微粒在紧聚焦高斯光束中的动力学方程,建立了非球体微粒
在紧聚焦高斯光束中被捕获和扭转时的动态仿真模型,可利用该模型来寻找任
意形状的非球体微粒的运动轨迹和被稳定捕获时的平衡位置和方位。基于该模
型,利用 DDA 算法计算微粒的 T 矩阵,探索了一定尺寸范围内的长宽比大于 1
的微米量级圆柱体和纳米线在紧聚焦高斯光束中的平衡位置和方位。结果发
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