特殊光束光摄技术的理论和实验研究

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1、ByLiZeADissertationSubmittedtoGraduateUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofMasterofNaturalScienceXi’anInstituteofOpticsandPrecisionMechanics，CASJune2012’本论文得到嗣家重大科学研究计划(2012CB921900)和国家自然科学基金项目(10874240)资助。科研道德声明J㈣J掣必秉承研

2、究所严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中所引用的内容都已给予了明确的注释和致谢。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。申请学位论文与资料若有不实之处，论文作者签名：盔；盎本人承担一切相关责任。日甘日切『2．∥．Jf日期：丝!三：!：!!知识产权声明本人完全了解中科院西安光学精密机械研究所有关保护知识产权的规定，即：研究生在所攻读学位期间论文工作的知识产权单位系中科院西安光学精密机械研究所。本人保证离所后，发表基于研究生工作

3、的论文或使用本论文工作成果时必须征得产权单位的同意，同意后发表的学术论文署名单位仍然为中科院西安光学精密机械研究所。产权单位有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；产权单位可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：塑导师签名：<妇兰二”日期：兰!三：!：!!日期：砷r互占，，沙摘要光镊是利用高度聚焦的激光束所形成的梯度力势阱对微小粒子进行捕获和操纵的技术。自从1986年由美国贝尔实验室的Ashkin发明以来，光镊技术得到了快速的发展，并且成为微观领

4、域研究的一‘个强有力的工具。日前，光镊技术已经广泛地应用于物理学、生物医学、胶体及精密加工等领域。随着这些领域的发展，人们对光镊捕获效率、捕获范围等不断提出一些新的要求。基于此，本论文主要开展了以下几个方面的研究工作：1．分别用几何光学模型和电磁散射模型推导了粒予在光阱中所受辐射力的表达式。利用电磁散射模型——T矩阵方法数值模拟了柱对称矢量光束(径向偏振光和方位角偏振光)的捕获效率，并分析了这两种偏振光的特殊捕获效果。2．提出一种长距离轴向稳定捕获与操纵粒子的方法。理论计算了不同占空比环形光束的捕获效率，发现环形光束可以提高轴向捕获

5、效率，并且存在一个最佳占空tL(d=0．5)的环形光束，对应的轴向捕获效率最大。从而使利用具有长工作距离低数值孔径物镜实现长距离三维稳定捕获与操纵成为可能。实验上采用双锥镜装置产生了环形光束，经过长工作距离低数值孔径物镜(NA=0．6和NA=0．45)聚焦后，成功地实现了对直径为5“m二氧化硅小球的稳定三维捕获与长距离轴向操纵。3．提出一种利用4Pi聚焦系统产生球形光斑，并且三维移动该球形聚焦光斑的方法。两束反向传播的具有特定振幅分布的径向偏振光经过4Pi聚焦系统聚焦后会产生一个球形聚焦焦斑，本文给出一种计算相位调制函数的简单办法，

6、用所得到的相位调制函数对入射径向偏振光进行相位调制，即可实现球形聚焦光斑的三维实时移动。关键词：光镊；柱对称矢量光束；环形光束；4Pi聚焦系统；捕获效率。摘要IIAbstractOpticaltweezersisanopticalforcetrapbyfocusingthelaserbeamwithahighnumericalaperture(NA)microscopeobjective，whichcanbeemployedtotrapandmanipulatemicro-particles．Sinceitsfirstinventi

7、onin1986byAshkin，opticaltweezershasbeendevelopedquicklyandservedasapowerfultoolforinvestigationinmicroscopicfield．Now,opticaltweezersiswidelyusedinmanyresearchfields，suchasinphysics，biomedicine，colloidandfinemachining．Thestudiesofthesefieldsappealforsubstantialimprovem

8、entofopticaltweezerstechnique，suchashighertrappingefficiencyandlagertrappingrange．Focusedonimprovingthemanipulationca