（光学专业论文）新型单光纤光镊捕获特性研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 光纤光镊以其结构简单、价格便宜、捕获范围大、可满足多种微操纵 实验研究的需求等优点，比传统光镊更利于推广与工程应用，且受到人们 的广泛重视。因此本课题对两种单光纤光镊系统进行了研究：新型单芯光 纤光镊系统实现多微粒同时捕获；新型双芯单光纤光镊系统实现 微粒的旋转。 对于新型单芯光纤光镊系统，首先构造出了特殊的锥形光纤探针结构， 然后结合电磁场动量守恒定律与时域有限差分算法( f i n i t ed i f f e r e n c et i m e d o m a i n ，f d t d ) 分析了光纤出射光场和特殊形状粒子的受力情况，分别讨 论了不同光纤结构、微粒大小以及折射率条件下，这种新型单光纤光镊的 捕获效应。实验中，利用该单光纤光镊实现了酵母细胞的三维捕获与移动， 并且利用两路单光纤光镊实现了酵母细胞在两个光势阱间的转移与交接。 该技术有利于多个粒子同时转移、微制造领域、激光细胞融合等。 对于新型双芯单光纤光镊系统，同样地，首先设计出了特殊的双芯光 纤探针结构，然后采用光束传播法( b e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d ，b m p ) 分 析了其捕获原理以及光致旋转机制。实验中，利用该单光纤光镊成功实现 了酵母细胞的三维捕获和转动。该技术在光镊对微粒三维操作的基础上又 增加了一维角向的操作，这对光镊的进一步发展及应用有重要意义。 关键词：光镊；单光纤光镊；双芯光纤光镊；光阱力；f d t d 哈尔滨下程大学硕士学位论文 a bs t r a c t f i b e ro p t i c a lt w e e z e r sh a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e s ，c h e a pp r i c e ， w i d et r a p p i n gr a n g e ，a n dm e e t st h ee x p e r i m e n t a ld e m a n do fv a r i o u sm i c r o s c o p e m a n i p u l a t i o n s b a s e d o nt h e s e a d v a n t a g e s ，i ti s m o r ec o n d u c i v et ot h e p r o m o t i o na n da p p l i c a t i o n s ，a n dh a sb e e nw i d e l yn o t a t e d i nt h i st h e s i s ，t w o k i n d so ff i b e ro p t i c a lt w e e z e r ss y s t e m sh a v eb e e ns t u d i e d ：t h en o v e ls i n g l ec o r e f i b e ro p t i c a lt w e e z e r ss y s t e m - - a i m i n gt oc a p t u r et w om i c r o - p a r t i c l e sa to n et i m e ； t h en o v e lt w o c o r ef i b e r o p t i c a lt w e e z e r s - - a i m i n gt o r o t a t et h e t r a p p e d m i c r o p a r t i c l e s 。 f o rt h en o v e ls i n g l ec o r ef i b e ro p t i c a lt w e e z e r ss y s t e m ，ap a r t i c u l a rf i b e r p r o b es t r u c t u r ew a sd e s i g n e d c o m b i n e dt h ef i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n m e t h o dw i t ht h em o m e n t u mc o n s e r v a t i o nl a wo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，t h e o u t p u to p t i c a lf i e l da n dt h es t r e s ss t a t e so fm i c r o p a r t i c l e sw e r ea n a l y z e d t h e t r a p p i n ge f f e c t so ft h i ss y s t e mw e r ea l s o d i s c u s s e du n d e rt h ec o n d i t i o n so f d i f f e r e n tf i b e r s t r u c t u r e s ，m i c r o - p a r t i c l es i z e sa n dr e f r a c t i v ei n d e x i nt h e e x p e r i m e n t ，t w oy e a s tc e l l sw e r es u c c e s s f u l l yt r a p p e da n dm o v e d a l s o ，t h e t r a p p e de a s tc e l lt r a p p e dw a sf u r t h e rt r a n s f e r r e di nt h eo p t i c a lt r a p p i n gw e l l so f t w of i b e ro p t i c a lt w e e z e r s t h i st e c h n o l o g yi sh e l p f u lt ot h et r a n s f e ro fm u l t i p l e m i c r o p a r t i c l e s ，m i c r o - f a b r i c a t i o na s s e m b l i n g ，c e l lf u s i o n ，e t c f o rt h en o v e lt w o - c o r ef i b e ro p t i c a lt w e e z e r ss y s t e m ，t h es p e c i a ld e s i g n e d s t r u c t u r eo ft h et w o c o r ef i b e rp r o b ew a sp r o p o s e d s u b s e q u e n t l y ，t h et r a p p i n g p r i n c i p l ea n dp h o t o i n d u c e dr o t a t i o nm e c h a n i s mw e r ea n a l y z e db yt h eb e a m p r o p a g a t i o n m e t h o d i nt h e e x p e r i m e n t ，t h i sf i b e ro p t i c a l t w e e z e r sw a s s u c c e s s f u l l yu s e df o rm i c r o - p a r t i c l et r a p p e da n dr o t a t e di n3 d t h i st e c h n i q u e e x t e n d so n ed i m e n s i o n a la n g l eo p e r a t i o nt oo p t i c a lt w e e z e r sa n di ss i g n i f i c a n t f o rt h ef u r t h e ri m p r o v e m e n ta n da p p l i c a t i o no ff i b e ro p t i c a lt r a p p i n gt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：f i b e ro p t i c a lt w e e z e r s ；s i n g l ef i b e ro p t i c a lt w e e z e r s ；t w o c o r ef i b e r o p t i c a lt w e e z e r s ；o p t i c a lt r a p p i n gf o r c e ；f d t d 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的引用已 在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：兰墨叠盈 e l期：跚扩年厂月玎日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 微操纵技术发展现状 近年来，自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是朝微型化迈进， 相应地，微纳米尺度上的操作技术也变得越来越重要【1 1 。因为借助于微纳 米操作技术，人们可以随意加工和组装出三维m e m s 元件、操作微小生物 对象、或是移动微机器人系统，从而完成相应的实践活动，或将更小的分 子组装成特定器件，对纳米尺度的生物对象如d n a 或蛋白质进行操作以供 分析等，而这些操作从宏观角度很难实现，因此微操纵技术成为一种时代 的需求，并且具有宏观尺寸下操作所不具备的特点以及其特有的应用领域。 1 1 1 微纳米操作的特点及应用领域 与宏观尺寸下的情况极为不同，微纳米操作的特点大致如下【2 】： ( 1 ) 操作对象肉眼不可见； ( 2 ) 操作对象重量轻，结构脆弱，易于损毁； ( 3 ) 操作对象形状复杂； ( 4 ) 制约微操纵过程的物理化学规律与大尺寸情况不同； ( 5 ) 微纳米操作的行为呈多样化，如沉积、揭起、抓获、弯折、移动、 释放、扭曲、振动、拉伸及旋转等复杂动作，而且一旦对象的尺寸及环境 发生改变时，原有的操作技术可能不再适用； ( 6 ) 用于制作微纳米镊的材料呈多样化，如已尝试过碳纳米管、聚合 物、硅、金属等材料，由其制成的探针在操作特定的对象时各有优缺点。 基于微，纳米操作的特点，对微纳米尺度物体的操作要比直接观察它们 复杂得多。根据所要操纵对象的尺寸，采用不同的显微操纵技术，如通常 对尺寸在l 岬到l m m 的对象，借助于光学显微镜进行操纵，而在原子尺度， 需要如扫描探针显微镜( s t m ) 一些分辨率更高的显微操纵装置，介于上 述两种尺寸即从l n m 到1 0 岬之间的操作，一般称为微纳米操作。 具体的微纳米操作在不同环境( 如水、真空、空气或腐蚀性环境) 下 应用时也不相同。当操纵对象处于水中或一种湿性环境时，微纳米操作有 其特殊性，如柔性的d n a 、蛋白质、细胞膜及组织等，一般以采用水动力、 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电磁力或光镊等通过介质自身产生的力或外界施加的非接触力进行操作为 宜。除此之外，对微米操作器的三维控制也是一个重要问题。 因此在微纳米技术的工具箱中，除了用于显微观察的装置如原子力显 微镜等，用于操纵微纳米尺度物体的镊子也不可或缺。 微纳米操作技术的应用领域【lj 主要涉及： ( 1 ) 信息技术领域如高密度信息存储、输入输出数据传输介质、微结 构修复、微区评价、微电路加工等； ( 2 ) 医学领域的无损微手术治疗、微小器官检测等； ( 3 ) 生命科学领域的对微小生物样品如细胞、基因等的操纵，该应用 在当前快速发展的领域如基因组、蛋白质组研究，尤其是对单个细胞进行 刻画时具有十分重要的意义： ( 4 ) 物理化学领域的考察量子效应、纳米区域反应等。 可见，微纳米操作技术应用范围越来越广泛，其发展也更加多样化。 1 1 2 微纳米操作技术发展 依据对象( 金属、非金属、生物样品等) 、工作环境( 空气、水、真空 等) 及观测系统( 光学显微镜、s t m 、a f m 、s e m 等) 的要求，微纳米操 作技术大体可分为接触与非接触两类，各有其特殊的适用性。按照各自的 工作原理进行分类，微纳米操作技术的工作原理主要基于机械、水力学、 电、磁、声、光、热以及通过这些效应的组合【l l 。 ( 1 ) 基于机械效应的微操作技术 t a n i k a w a 及蜥【3 】提出了用于装配微型机器、操作生物细胞以及执行 微手术的微型手操作系统，该技术受到筷子的启发，操作者可通过拇指和 食指对微镊进行远程控制：基于微机电系统( m e m s ) 和纳米机电系统 ( n e m s ) 的微纳米机器人可以实现三维空间操纵 4 1 。 ( 2 ) 基于冻结效应的微型冰镊技术 l i u 等人【5 】从热学角度出发，提出了一种概念新颖的微操作技术一冻结 微镊( 或称冰镊) ，其原理是通过控制针尖处的冷冻条件，在针尖与待操作 对象之间形成一个微小冰球，从而借助于该冰球牢牢地将对象抓起并完成 各种操作，最后通过在针尖处实施加热融化，从而使物体脱落实现释放过 2 程，如图11 所示。实现冻结微镊的途径是基于j o u l e t h o m p s o n 气体节流 外管 冰球 膨胀后气流 幢蜡如p 卜一 通过实验证实，这种微镊的作用力很强且针尖温度越低，作用力越 强。这种方法可以实现各种复杂的操作，如拉伸、旋转等，且不受对象的 形状、轻重、柔软或坚硬以及是否为生物材料、含水或带电与否等的限制。 由于这种操作技术需要进行的只是冻结过程，因而使得操作过程十分简便， 借助于水力学效应实现的微操作在一些生物技术的研究中尤其具有重 要意义。h i r a n a 等人拍1 从水力学角度出发，提出了一种非接触式操作d n a 分子的方法。其原理为当溶液发生冻结时，其中的不纯物会被自动排除到 固相区域之外，可通过对冻结相内的物质加以融化的方式实施操作。对于 液滴的操作，表面张力【7 i 是一类可加以利用的重要方法，用于产生气液、 气一固、液圃界面之间的表面张力及润湿度的措施可以通过浓度或温度梯度 a f m 是实施微纳米操作最为重要的工具之一，实现这种操作基于推动 策略，但传统的原子力显微镜仅具备一个针尖，不能对物体实施抓取及开 附到玻璃微管上的一对独立电极上，通过旌加于此电极上的电压关闭及打 开碳纳米管的自由端，可以成功地抓取和移动聚苯乙烯纳米团和碳化硅纳 米团，如图12 所示。还有t a n i g u c h i 等人口j 提出一种控制微化学反应的静 哈尔滨工程大学硕士学位论文 磁学特性也可用于发展微纳米镊【1 0 l 。通过电磁微针可对操作对象产生 一定的磁场梯度，从而对磁性微，纳米颗粒造成足够强的静态或动态作用力， 以便实施拉伸或捕获行为。一旦将这些颗粒与生物分子或活细胞粘附到一 起即可方便地应用电磁微针对生物对象进行操作，此类方法在发展生物 技术方面可能有重要用途。 胃飞甬 ， e 。 * 一、 一k 图12 利用碳纳米管操纵微粒的示意图 ( 6 ) 基于电磁效应的微操作技术 电磁效应在发展对液体环境如芯片流道中的磁性纳米颗粒或生物分 子、细胞等进行操作的技术方面很有优势，因此这种技术在生物技术及医 学研究等领域中具有十分重要的意义。研究者们。1 5 1 在有关基于电动力学 技术( 电泳、电旋转等) 操纵纳米尺度物体，因施加电场引起生热进而诱 发流体流动等问题作了大量的研究工作，显然，在这一类操作技术中，微 电子加工、微流体、微热学及电化学等方面的知识显得十分重要。 ( 7 ) 基于声学效应的微操作技术 k o z u k a 等人【1 “研究了采用流体中的超声驻波来非接触性控制小颗粒位 置的问题。通过改变频率，被捕获的颗粒可在沿声束轴向的一维方向上输 运，借助于有选择性的增加频率，又可将聚集到一起的颗粒从不同位置处 分离开。 ( 8 ) 基于光学效应的微操作技术 微操作技术在近年来新出现的一个学科方向单分子生物力学的研 究中已发挥了重要作用，此类测试中的一个关键是需要对分子进行拉伸和 操纵。在以上操缎方法中，多数采用接触方式，对样品有机械损伤，不太 适合操纵生物微粒，且s p m 也只能进行平面操纵，但是基于光辐射压力原 理的光镊技术在多个领域特别是在生物和物理领域得到了较好的应用旧。 融瀚 哈尔滨工程大学硕士学位论文 人们采用了原子力显微镜探针或激光光镊【1 8 】来拉伸单个分子如条纹肌中的 巨型蛋白分子，通过记录所施加的力与分子拉伸长度之间的关系，可以得 到分子的力学性质，而这些性质对于研究蛋白质多肽链的特殊折叠问题至 关重要。 可见，对微纳米对象的操作和研究，开辟了大量全新的微纳米技术应 用领域，同时也引申出许多科学问题有待解决。光镊的发明使人类对微观 世界的认识活动从被动的观察转为主动的操控，而如何快速、方便、低成 本且高效地实施微纳米操作将成为今后发展的核心。 1 。2 光镊技术的发展及应用 光镊是单光束梯度力势阱( s i n g l eb e a mg r a d i e n tf o r c et r a p ) 的简称，是 基于光作用于物体的辐射压力和梯度力相互作用而形成的势阱。正是基于 这种光的力学效应，光镊技术逐渐发展起来。 1 2 1 光镊技术的背景 1 8 6 4 年，英国数学物理学家麦克斯韦创立了电磁场理论，提出辐射场 携带动量，论证了光压的存在，并推导出了光压力的计算公式：1 9 0 1 年， 俄国物理学家列别捷夫用悬在细丝下的悬体制成扭称实现了光压力的实验 测量；1 9 0 5 年，爱因斯坦提出了光量子的概念，认为光是一群以光速运动 的、既有质量又有动量的光子流；1 9 0 9 年，德拜给出了线偏振电磁波作用 于均匀球形粒子的辐射压力的理论，但由于光辐射压极其微弱，同时也因 没有足够强的光源，所以无法进行实验研究。直到2 0 世纪6 0 年代，激光 的发明给辐射压力的研究提供了高强度、高准直度的光源【1 9 j 。 在1 9 6 8 年，苏联科学家l e t o k h o v 提出了利用光场的梯度力来限制原子 的想法；1 9 6 9 年，美国贝尔实验室的a s h k i n 等人首次实现了激光驱动微米 粒子，此后他又发现微粒会在横向被吸入光束( 当微粒的折射率大于周围 介质折射率时) 。在研究了这两种现象之后，他又利用相对传播的两束激 光实现了双光束光阱；1 9 7 0 年，a s h k i n 等【2 0 】首先提出能利用光压操纵微小 粒子的概念，利用多光束激光的二维势阱成功夹起并移动了水溶液中的小 玻璃珠，后来这种激光夹持微粒的技术经过不断改进，所能捕获的粒子越 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 来越小：直到1 9 8 6 年，a s h k i n 等人引i 采用大数值孔径显微物镜会聚单柬激 光，在水溶液样品池中实现了对介电微球的三维光学捕获。这标志着“单 束光梯度力阱”( s i n g l e b e a mo p t i c 甜g r a d i e n tf o m et r a p ) 的诞生，简称为“光 镊”。 122 光镊技术的应用 ( 一) 生命科学领域 由于光镊可以实现对生物活体样品非接触无损伤的捕获和操纵，因此 光镊技术的应用研究热点主要集中在生物学方面1 丑- 2 5 】，特别适合于生物大 分子、生物细胞的研究，如人们可用光镊对细胞、细胞器及染色体进行捕 获、分选、操纵、弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、 测定马达蛋白作用力及对膜体系进行定量研究。a s h k i n 首先将光镊技术应 用到生物领域，实现对病毒和细菌的捕获与操纵f 2 6 】。利用光镊技术实现激 光诱导细胞融合，图i3 为骨髓瘤细胞融合过程。 辫菇豁 睽。i ! ：匦 蠹g 菠基哆_ ：| 图1 3 骨髓瘤细胞融合 圈囝圈 豳圈豳 阐囝圜 图i4 利用光镊进行细胞壁的力学参数测试 ks v o b o d a 等人在分子水平上观测到动蛋白分子沿微管以8 n r n 的步幅 腾越自口进，间隔为l m s 量级，从而证明驱动蛋白分子将化学能转变为机械能 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的元过程是非连续的，这是人类第一次辨认出动蛋白的运动状态。m d a o a 等人讨论了利用光镊对人类血红细胞的受损形状力学研究f 2 8 1 ，图1 4 为利用光 镊进行细胞壁的力学参数测试的实验过程。 ( 二) 表面科学及凝聚态物理等领域 目前光镊技术在表面科学及凝聚态物理等领域1 2 9 。q 也得到了应用与发 展。其中以m i s s a w a 为代表的日本研究小组设计了一种光镊分时操作装置，使 一束光可形成多达8 个独立的光阱。利用这一装置对乳胶微粒进行了操作，能 有效地控制粒子的流动方向，选择颗粒的大小以及空间图案的排布。除此之 外，他们还发现表面结合了极性或非极性功能分子团的聚苯乙烯小球与溶液 中的荧光探针分子相互作用，可使后者发射的荧光波长和强度发生变化，从 而通过荧光信号可以探知小球表面的化学性质。结合光谱测量技术，光镊可 以随意地操纵或固定单个小球的空间位置。因此可以探测单个小球表面结合 物发射荧光的细节，从而确定小球表面的分子结构。 ( 三) 微操控及微细加工领域 光镊作为微小位移操控手段和粒子间微小相互作用力( p n 量级) 的探 针，不仅仅用于生物学领域，也同样适合其他微小粒子的研究，诸如微粒 的运动特性、微粒间的相互作用、微粒的排布和纳米器件的组装与检测等。 采用光镊技术还可实现更为复杂的操作过程j 如通过改变两束激光的 路径差，可使光阱中的微颗粒发生可控制性旋转、加速及停止等p h ；另外， 通过改变两束激光的频率差，也可对光阱中的微结构实施可控及连续性的 旋转1 3 引。e r i k s e n 等人则研究了通过多光束光镊实现对微颗粒的操作问题 1 3 9 _ l ；采用不规则钻石微粒作为光镊的“手柄”，s u n 等人还成功地对粘附在 微粒上的生物细胞进行了操纵1 4 0 1 。g a u t h i e r 4 l 】在1 9 9 7 年首次提出将光镊应 用于微加工领域，可实现对微小器件的非接触式移动、操纵和组装。光镊 方法甚至可用于驱动微型齿轮，从而组合成一种微光机电系统 4 2 j 。 ( 四) 光子晶体领域 光镊在光子晶体研究领域中也有重要应用。光子晶体是近年来应用物 理和材料科学的一个重要研究领域，它是介质颗粒周期排列而成的人工材 料，能够产生光子带隙，频率落在带隙内的光在晶体里沿任何方向都不能 传播。可以利用光镊对光子晶体进行排列，如图1 5 。在制备三维光子晶体 7 哈尔滨l 程大学碗十学位论文 的方法中，仍然无法控制晶体生长过程中的缺陷态利用光镊技术对产生 的缺陷进行修复以及对生成的晶体进行修整，就能达到去除缺陷的目的， 能够生成大面积无缺陷的的三维光子晶体。 圈i5 利崩光镊排列光子品体 除此之外，光镊技术在基础物理学、大气物理、重力场和流体场等精 密测量领域的应用也正在研究中。为了扩展光镊的应用范围，人们还将它 与其它依赖于激光的显微成像技术，如荧光成像、微分干涉衬成像、激光 刀、激光共焦扫描、探针扫描等技术相结合。总之，光镊理论和技术的深 入研究将有效地促进生命科学、医学、材料科学、物理学、化学及纳米技 术等领域的研究与发展，同时也将因此而出现一些新的研究方法和研究领 域。 1 2 3 光镊技术的发展 光镊技术作为一种崭新的光学微操纵手段，广泛的用途使其得到了足够 的晕视。由于研究者所丌展的工作和所研究的具体对象不同，对光镊系统的 配置及特点也都有着不同的要求，所以众多具有仪器研制能力的实验室都在 研制符合自己要求的光镊系统。图16 为传统光镊系统的基本结构，激光束经 过扩束和反射光路后，由显微物镜聚焦到盛有微粒样品的液体样品池中。样 品池可以随样品台二维移动，从而与被捕获的微粒产生相对位移。微粒被捕 获和操纵的整个过程可以通过c c d 摄像和显示系统进行观察。 光镊技术发展至今已有二十多年，随着微观科学领域的快速发展及需 求，由只能控制单个微粒的传统光镊技术，发展到现在的多光束光镊技术、 近场光镊技术、特殊光镊技术，来满足不同领域的需求。 多光束光镊技术【4 3 州l ( 或称为阵列光镊) 一次可以产生多个光阱，同 时捕获多个微粒，极大地增强了光镊微操作的效率，拓展了光镊技术的应 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 用范围。产生多光束光镊的方法有很多，其中常用的有：全息光镊技术、 分时扫描光镊技术、利用垂直腔面发射激光器产生阵列光镊的方法、光纤 束产生阵列光镊的方法、干涉式阵列光镊。 图1 6 传统光镊系统结构 传统光镊技术、多光束光镊技术等可以应用于某些特殊领域的远场光镊 技术，通常难以直接对单个纳米量级的生物分子进行捕获和操纵，而近场光 镊【1 7 , 4 5 , 4 6 因为其捕获范围的高度局域性，可以做到这点，从而成为中分子 水平操纵的有力工具之一。近场光学捕获常采用全内反射相干倏逝场、近场 光学镀膜光纤探针尖、激光照明金属探针尖和聚焦倏逝场等。 除此之外，还有具有特殊功能的特殊光束光镊技术m 】，主要采用贝塞尔 光束和拉盖尔高斯光束。其中贝塞尔光束具有沿光束传播方向保持光束直径 不变的特性，可以克服高斯光束瑞利极限的限制。由于贝塞尔光束的特殊性， 既可以用来捕获折射率大于周围液体的透明粒子，也用于捕获可对折射率小 于周围液体的透明粒子或非透明的吸收型粒子，并且可以在光束的传播方向 同时捕获多个粒子，如图1 7 ( a ) 所示；而拉盖尔高斯光束，见图1 7 ( b ) ，因其 具有螺旋波阵面，可以实现对任意粒子的光致旋转。 我国也开展了光镊仪器及其应用的研究工作。中国科技大学【4 7 - 4 9 光镊微 操纵研究室是国内最早研究光镊及其生物应用的单位。他们成功研制了“纳 米光镊系统”，它是目前国际上第一台包含有三个独立的光学微机械手的光镊 系统。云南师范大学 5 0 1 、中国科学院物理研究所【5 1 】和清华大学【5 2 1 ，西安交通 大学【5 3 】，北京大学 5 4 1 、天津大学【5 5 1 、苏州大学【5 6 】、燕山大学【5 7 】等单位也分别 9 坠垒量三垒奎兰堡圭耋堡竺圣 对光镊的机理与应用进行了分析与探索。 ( 旬贝塞尔高斯光束( b ) 拉盖尔- 高斯光束 圈17 特殊光束光镊 1 3 光纤光镊技术 由于传统光镊具有体积大、工作距离短，不宜实现多光镊耦台等缺点， 使其更广泛的应用受到限制，而光纤光镊克服了上述缺点j 以其结构简单， 价格便宜，捕获范围大等优点，越来越受到人们的广泛重视。 光纤光镊系统是利用光纤出射的激光束来实现对粒子的微操纵。与基于 显微镜的光镊系统相比，光纤形成的光阱操纵灵活，被捕获的生物样品可以 自由移动。微操纵系统简单适用，光纤可以深入到样品室，在样品池里形成 光阱，大大提高了光阱捕陷范围，捕陷光学系统从观察光学系统中分离出来， 使得在系统中添加激光束计量和光谱仪等测量设备有了较大的自由度。光纤 有空间滤波效应，对光源的传播模没有严格要求，可用带尾纤的二极管激光 器，无需外部光学系统，结构特别简单。更为有利的是：二极管激光器可以 快速开关和调制，可满足多种光微操纵实验研究的需求。 早在1 9 9 3 年，c o n s t a b l e 等人利用两根纤芯相对的光纤形成了稳定的光镊 并用来捕获微介质球【5 ”。1 9 9 5 年美国的l y o n s 等人用近半球形自透镜单模双 光纤光镊对直径为3 5 t t r n 和1 0 t u n 雕j 介质小球的捕陷特性和光阱的双稳定性进 行了研究【5 9 l 。1 9 9 7 年日本的t a g u c h i 等等报道了单锥形透镜光纤对粒子捕获作 用删，后续研究发现，利用两个成一定夹角的光纤光镊，实现了聚苯乙烯球 的空间捕获和搬运和对酵母细胞的旋转1 6 1 , 6 2 】。除此之外，还有许多研究者们 对双光纤和多光纤光镊进行了研究，并成功实现了物体的空间捕获制j 。由 于光纤端出射的弱聚焦的光场产生的势阱梯度较小，这些光纤光镊的单根光 纤都不能形成三维捕获。直到2 0 0 3 年，加拿大的r s t a y l o r 等伟l j 作了一种中空 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i l l l 的金属化光纤探针尖 6 8 1 ，巧妙的利用针尖的静电引力与光的散射力达到平 衡，捕获和操纵了浸没在水中的玻璃微粒。2 0 0 7 年s a m a r e n d r am o h a n t y t 6 9 - 7 1 】 等人制作了轴棱镜型光纤探针也实现了对几百纳米到微米微粒的三维捕获。 在国内，关于光纤光镊的研究比较少。刘志海【j 7 2 】等人制作了一种锥形结 构的光纤针，构成全光型的单光纤光镊系统，实现了对水中酵母细胞的三维 捕获与操纵，同时也对双光纤光镊系统的参数进行了优化。中国科技大学的 明海等用数值仿真和实验方法分析得出光纤探针作用在2 9 m 聚苯乙烯球上的 轴向作用力沿光束传播方向、径向作用力指向光轴【7 3 】。清华大学的王佳等利 用数值仿真的方法对光纤针的出射光场进行了仿真研究，并采用与t a g u c h i 等相同的白透镜型光纤结构测量了置于水中的酵母菌的受力情况【7 4 1 。燕山大 学电气工程学院也在积极从事光纤光镊的研究工作1 7 5 1 。 1 4 本文的研究工作 光纤光镊系统利用光纤出射的激光束来实现对生物粒子的微操纵，使光 阱及其操纵与光学显微镜分离，能够改善常规光镊仪器所存在的弊端，实现 了单光纤光镊对微小粒子的三维捕获，但与多光束光镊技术和特殊光束光镊 技术相比，存在的不足是，只能固定捕获单个粒子，而且捕获点固定，不能 实现微粒的旋转。基于此原因，本文的研究工作关键在于解决这些问题，具 体为以下两个方面： ( 一) 新型单芯光纤光镊 与现有的单光纤光镊系统不同，我们需要构造出特殊的光纤端结构， 除使其出射光场能够具有较小的束腰，还需其激光焦斑的形状在光轴方向 上能同时稳定捕获多个粒子。 由于我们光纤端面结构的特殊性，决定了要求得到封闭形式的解析解 十分困难，就是半解析解的近似方法也只能在个别问题中得到有限应用， 而数值分析方法测量具有较大的灵活性。所以在光纤端出射光场的分析中 我们采用时域有限差分( f i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n ，f d t d ) 方法仿真 单光纤光镊的出射光场，得到全空间散射场各分量电磁场的场值，然后根 据选定一包围介质球区域的合适边界，经过相应的电磁场分量的积分计算， 可以得到作用在介质球上的沿z 轴和x 轴方向的光作用力。然后取若干周期 哈尔滨下程大学硕士学位论文 的时间步数的值叠加后得到时间平均的值，理论上可得到界面包围体积内 电磁场作用于介质上的合力。通过仿真计算，分析不同光纤结构、微粒大 小以及折射率条件下，单光纤光镊的捕获效应。 ( 二) 靳型双芯光纤光镊 由于单芯光纤光镊只能实现多粒子捕获，很难实现微粒的旋转，而目前 利用光镊实现光致旋转的方法有很多，主要有类风车微粒旋转法，圆偏振光 旋转双折射粒子法，特殊激光模式法等。该技术在光镊对微粒三维操作的基 础上又增加了一维角向的操作，这对光镊的进一步发展及应用有重要意义， 可以用于驱动微机械装置，在细胞生物学中还可以用来研究旋转分子马达的 特性。因此本文提出设计多芯光纤光镊，通过构造特殊结构的光纤端结构使 其不仅能实现对微粒的三维捕获，而且能使其旋转。 双芯光纤光镊技术属于一种特殊的单光纤光镊技术，相比于新型单光纤 光镊而言，其理论研究更加复杂，因此我们采用光束传播法( b e a mp r o p a g a t i o n m e t h o d ，b p m ) 分析其捕获原理以及光致旋转机制。 1 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第2 章光镊原理 光镊实际上是一束强会聚激光形成的特殊光场，如果以该光场最强处 为中心划定一个方圆微米的禁区，物体一旦涉足这个禁区就会自动移向光 束中心，这种不由自主的运动犹如物体从空中坠向地面，表现出一种向心 “引力 效应。光镊其实就是具有引力的光学势阱，这个光学势阱如同传 统的机械镊子，能夹持和操纵微小物体，所以称为光学镊子或简称为光镊。 自提出以来，光镊已成为微米尺度量级的粒子操控和粒子间相互作用 研究中的不可缺少的工具。它利用“无形 的光束来实现非机械接触弹性 捕获微粒，属于“遥控 操作，因此不会对样品产生机械损伤，而且几乎 不干扰粒子的周围环境，加上生物微粒对红外光的穿透性等特点，使光镊 技术特别适于操控活体生物微粒，整个操作体系涉及的细胞生存环境几乎 等同于“天然”环境，细胞生命活动的变化得以完整保留，并以“实时动 态 成像方式展现给研究者，这是其他方法所不具备的【_ 7 6 1 。 下面讨论光阱力产生的基本原理、简单介绍三种光阱力分析模型和详 细论述基于电磁场动量守恒定律与时域有限差分的光阱力分析方法。 2 1 光镊的基本原理 2 1 1 光的力学效应 光的本质是电磁波，因此光具有能量和动量，当光与物质相互作用时 会有动量的传递，从而表现为光对物体施加一个力，并由此引起物体位移 和速度改变，这叫做光的力学效应。它主要表现为对物体的压力，所以称 之为光辐射压力或者光压。 沿一定方向传播的光，其携带的能量u 与动量p 之间有一简单关系， 即其动量大小为p = u i c ( c 是光速) ，方向沿光传播方向。光压可以看成 是光子流产生的压强。一束平行光照射到物体上，其动量变化为p ，历经 时间为，秒。由动量守恒原理可知，物体得到的动量为一p 。根据牛顿第 二定律，作用在物体上的力等于光引起的单位时间内物体动量的变化。由 此可得光作用在物体上的力为f = 一a p i t 。如果光束作用面积为s ，则单位 面积上受到的力即为光压p = f ，s 。 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对于垂直入射的光束作用在完全吸收面上的光的辐射压，采用坡印亭 矢量s 可表示赫 p ：一s ( 2 1 ) c 经求时间平均后的： ：墅皇：一i ec ( 2 2 ) 其中，为光强度。 因此，作用在实际物体上的光捕获力f 可表示为： f ：q 1 e c ( 2 - 3 ) 其中， 1 为周围介质的折射率：c 为光速；尸为光功率；q 称为捕获效 率，是作用在实际物体上力与入射光具有的单位时间动量的比值，为无量 纲数，取值为0 2 ，作为光捕获特性的指标使用。该q 值在很大程度上依赖 于光学条件( 激光器聚光角、波长、光斑尺寸、偏振光、光束分布图等) 、 微小物体条件( 尺寸、形状、折射率) 和环境条件( 水、空气) 等。 2 1 ，2 光阱力的分析及其形成条件 ( 一) 梯度力和散射力 典型的光势阱由一束激光束经过一高数值孔径物镜产生，如图2 1 所 示。一束激光经透镜聚焦后，射入轴上焦点附近的透明介质球，该介质小 球主要受到两种力1 7 7 】：种是散射力只c a t ( s c a t t e r i n gf o r c e ) ，来自于粒子 对光的反射、散射以及吸收等。在这些过程中，粒子受到沿着光的传播方 向的作用力，与光子交换动量而获得，作用效果使粒子沿着光束的传播方 向运动：另一种是梯度力展删( g r a d i e n tf o r c e ) ，来自介质小球中的电偶 极矩在不均匀电磁场中受到的力。它正比于光强的梯度，指向光场强度的 最大处。它的作用效果使得粒子朝向光功率密度最大的点运动。当梯度力 大于散射力时，粒子就能在光强度梯度最大处被捕获。因此，光镊是利用 微粒与光折射作用产生的梯度力来工作的。 具体分析激光微束产生的三维梯度光场对处在轴上焦点附近粒子的作 1 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 用。在图2 1 中，介质小球球心处于激光束焦点下方，当轴外光线，图中的 a 、b 光线，无损耗地穿过电介质小球上时，被小球折射，折射后传播方向 更平行于光轴，即光线增大了纵向的动量。由动量守恒原理，小球相应的 获得负方向的动量，t i o , , j , 球受到的纵向力为拉力。即图中光束a ，b 施加在 小球上的力为凡、风，其合力沿负光轴方向。所有照射n d , 球上的光被其 折射后都贡献一份逆轴向的力，其合力趋向于把小球拉向焦点。这就是光 束对处于激光束焦点下方的介质小球产生与光束传播方向相反的拉力的来 源。小球表面反射光动量改变很小，相应地，产生的沿光束传播方向的散 射力也很小。 对于球心处在光束焦点上方和光束焦点右方的小球，类似的力的分析 可以得到，光通过小球折射后，小球将分别受到指向正光轴和向左的梯度 力作用，都使小球趋向于光束焦点运动。 图2 1 梯度力和散射力的不意图 因此，在单光束梯度力光阱中，球心处于焦点之前、之后或左或右的 介质小球，由于激光微束与小球折射作用产生的梯度力，都使小球趋向于 焦点。梯度力阱中任何横向偏离都会导致因横向上梯度力产生回复力，而 任何纵向的偏离都会导致纵向梯度力产生回复力。梯度力起着使小球停止 在焦点附近的作用，类似弹簧力，所以在焦点附近的小球将会受到这三维 空间的回复力而被稳定地束缚于阱中。逆光束传播的负向梯度力更为重要， 1 5 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 它主宰着轴向平衡的稳定性。具有大数值孔径且汇聚角大的场合，可实现 大捕获力、大弹簧刚度，进而实现大的捕获范围。 ( 二) 形成光学三维势阱的条件 光镊要在三维方向上稳定捕获粒子首要的基本条件就是光强的分布需 要有大的光强梯度，使得光梯度力大于散射力，将粒子捕获。高度聚焦的 激光束形成的激光微束就具有大的强度梯度，这样才能产生足够的梯度力 来捕获微粒。 假设粒子的折射率，z 2 大于周围介质的折射率，l l ，这是激光微束捕获粒 子的基本条件之一。因为如果一个低折射率的粒子处在一高折射率的介质 中，即1 1 2 n i 时反向 的。此时，粒子将被从光场强度高的地方推向光场强度低的地方，显然粒 子将被推出光场。而且，2 ? 1 这也是符合一般生物粒子及实验情形的，一 般光镊捕获生物粒子的研究中都满足这一点。 在满足上述的基本条件后，微粒能否被稳定地捕获还涉及物理与生物 粒子方面的性质，如激光微束的光波长、功率、束腰半径、生物微粒的大 小、球半径、极化状态、光汇聚角、吸收系数和粒子与周围介质的相对折 射率、以及球心与光轴的距离和球心与束腰的距离等，这些因素都不同程 度的影响着捕获效果。 2 2 光阱力理论计算模型 在激光捕获操作中，对光阱力的计算一般是将作用对象理想化为均匀透 明的介质球体。这是因为其它形状难于计算，再者就是大多数生物细胞和细 胞壁都是球形的，而且微粒的形状和大小对捕获的性能和效果影响很大。 根据粒子半径口与激光波长五的关系，采用不同的模型来描述激光捕获 性能【7 引。对于尺寸比波长大得多的m i e 散射区的米氏粒子，利用射线光学模 型方法进行近似定量计算是成立的：对于尺寸比波长小得多的r a y l e i g h 散射 区的瑞利粒子，可以采用电磁学模型进行近似定量计算；对于尺寸与波长相 近的球状粒子和一些非球状粒子所受光阱力的定量计算，目前还没有一个简 单、统一的模型，由于广义洛伦兹和m i e 理论( g e n e r a l i z e dl o r e n z m i et h e o r y ， g l m t ) 能够分析任意粒子尺寸和非平面波入射的情况，可以用于这种情况 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ii im l 的分析外，能够较广泛发挥作用的是各种数值方法。 近年来发展的方向是，将光阱中光的散射过程视为电磁散射问题，则通 过求解麦克斯韦方程就可以求解光的散射场。在上述所有激光捕获理论中， g l m t 被认为是目前最普遍和最完整的分析方法。 2 2 1 射线光学模型 当微粒半径口远大于光波长五( 实际应用中，口 5 2 ) 时，满足m i e 散 射条件。一般采用射线光学模型，用光线光学的方法来描述微粒的受力情况。 此方法是通过单条光线作用力的叠加得到光阱的作用力。在几何光学 范围内，光可以被分解为具有强度、方向和极化状态大致相同的一根根光 线，它们在同一种介质内沿直线传播或者说每根光线都可以被看作具有波 长为零的平