（精密仪器及机械专业论文）多体系统和复杂微器件的光驱动研究.pdf

摘要 摘要 光镊技术作为一种全新的微操作手段，已经由于其无接触、无摩擦和无需导 线等优点，被广泛应用于生物学、微量化学和微机电系统等多个研究领域。本论 文结合国家自然基金重点项目( n o 5 0 3 3 s 0 5 0 ) 和8 6 3 项目( n o 2 0 0 6 a a 0 4 2 3 1 1 ) 的主要研究内容，对于单光束光镊操纵多目标和复杂形貌微转子的光驱动进行了 理论和实验研究，同时还进行了新型的光纤光镊操作系统的初步试验研究。本论 文的主要成果如下： 1 针对多个对象系统和微转子的复杂性，基于光的电磁理论给出了矩量模型和 时域有限差分模型，并且总结了一整套分析计算步骤。 2 利用矩量模型和时域有限差分模型，结合高斯激光束的传输特性，对万字形 微转子在光阱中所受光学力和光学力矩进行理论建模，并利用m a t i a b 进行 计算仿真。计算结果和实验符合较好，为微型转子的设计和光学驱动实验的 进一步优化提供了理论依据。 3 自行搭建了一套光纤光镊系统，并利用这套系统成功进行了单个微球的捕获 实验研究。 多目标复杂系统的光操纵为光镊自动操控设计中一个重要的内容，涉及微粒 移动路径的宽度的控制，而微转子的光驱动为m e m s 领域中无损伤驱动提供了 一种有效手段，本文研究成果为光镊技术和该领域研究工作的深入发展打下了良 好的基础。 关键词光镊，光力矩，矩量法，时域有限差分法，复杂转子 a b s 臼i a c t a b s t r a c t t h et e c h n i q u e so fo p t i c a it r a p p i n ga n dn l a n i p u i a t i o nh a v eb e e nw i d e i yu t i l i z e d i nv ar o u ss c i e n t i f ca n de n g i n e e r i n gf j e i d ss u c ha sb l o i o g m j c r o c h e m i s t r ya n d m i c r o m e c h a n i c sb e c a u s e0 fi t sm e r i t so fn om e c h a n i c a ic o n t a c t ，n ow i r en e e d e da n d s m a f r i c t i o n t h i sp r o j e c ti ss u p p o r t e db yn s f cp r o j e c t s ( g r a n tn o 5 0 3 3 5 0 5 0 ) a n d 8 6 3p r o j e c t s n o 。2 0 0 6 a a 0 4 2 3 1 1 ) o p t i c a it r a p p i n gm u i t i m i c r o s p h e r e sa n do p t i c a l d r v i n gc o m p i e xm i c r o r o t o r sa r ei n v e s t i g a t e db o t ht h e o r e t i c a ya n de p e r i m e n t a y t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ei s tb e i o w ： 1 t h em o m e n tm o d e ia n dt h ef i n i t e - d i 仟e r e n c et i m ed o m a i nm o d e if o ro p t i c a i d r i v i n gm i c r o d e v i c ea n a i y s i sa r ep r e s e n t e db a s e do nt h eo p t i c a ie i e c t n d m a g n e t i c t h e o r y a l s 0aw h o i ea p p r o a c hl ss u m m a r i z e df o ra n a i y z i n ga n dc a l c u l a t i n gt h e 0 p t i c a lf o r c e sa n dt o r q u e s 2 t h eo p t i c a if o r c e sa n dt o r q u e so nt h ec o m p i e xa s y m m e t r i cm i c r o r o t o r s ，i nt h e i a s e rt w e e z e r sa r em o d e i e du s i n gt h em o m e n tm o d e ia n dt h ef i n i t e d i 仟e r e n c e t i m ed o m a i nm o d e l t h es i m u i a t i o nu s i n gm a t l a ba r ep r e s e n t e d t h ec a i c u i a t i o n r e s u i t sa r ec o n s i s t e n tw i t he p e r i m e n t a id a t aa n ds u p p i yt h et h e o r e t i c a ib a s i st 0 o p t i m u mt h ed r i v n ge 仟i c i e n c yo ft h em i c r o r o t o r s 3 af i b e ro p t i c a it w e e z e r ss y s t e mi sb u i f t t h ep 0 i y s t y r e n em i c r o s p h e r ei st r a p p e d b yt h eb u i i to p t i c a it w e e z e r ss y s t e ms u c c e s s f u i i ，n l nc o n c i u s i o n ，t h eo p t i c a it r a p p i n go fm u l t i o b j e c t si sa ni m p o r t a n tp a r tf o rt h e a u t oo p t i c a it w e e z e r ss y s t e md e s i g na n dt h e o p t i c a ld r i v i n go fm i cr i ) r o t o r sf a c | i t a t e s t h en o n d a m a g em i c r o d r i v i n gi nm e m sf i e l d t h er e s e a r c hr e s u i t st h a tt h i sp a p e r p r e s e n t so nw i i ib eh e i p f u lt oo u ro b j e c t sa n dt h ei m p r o v e m e n ti nt h i sr e s e a r c ha r e a k e ”o r d s ： o p t i c a it w e e z e r s ，0 p t i c a it o r q u e ， t h em o m e n t m e t h o d ， t h e f i n i t e d i 仟e r e n c et i m ed o m a i nm o d e i ，c o m p i e xm i c r o r o t o r s n 论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 年月日 第一章绪论 第一章绪论 早在1 9 5 9 年，贝尔奖得主物理学家费曼( r i c h a r df e 蜘m a n ) 就曾设想在原子、 分子尺度上加工材料，制备装置。到2 0 世纪8 0 年代后期，随着大规模集成电路制 造技术的发展，微型机械完成了从单元到系统的发展过程，微制动器、传感器、 控制器和微能源被集成到相当小的几何空间中，这样就诞生了m e m s 这一完备的 微型机械电子系统。 1 1 微机电系统与光学微机电系统 1 1 1 微机电系统( m e m s ) 的研究背景 1 9 8 9 年，在n s f 召开的研讨会上的总结报告首次提出了“微电子技术应 用于电子、机械系统”的概念，m e m s 从此成为一个新的学术用语登上了技 术发展的舞台。微机械( 也称微型机电系统) 在美国常称为微型电子机械系统 m e m s ( m i c r 0e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ；在日本称作微机器( m i c r o m a c h i n e ) ； 而在欧洲则被称作微系统( m i c r o s y s t e m ) 。按外形尺寸特征，微机械可分为 1 1 0 m m 的微小型机械，i “m l m m 的微机械，以及1 n m l “m 的纳米机械。 一般通过特种机械加工、电化学加工、激光加工等方法实现，经组装形成具有一 定功能的系统。m e m s 中的核心元件一般包含传感或致动元件以及信号传输单元。 图1 1 所示为微机电系统的模型。 l 力卜 传 执 l 光? 卜 一模拟信号u 数字信号，u 模拟信号l l 处理器 l i 处理器 i i 处理器 l f 声卜 感 ij 行 i 温度卜 r1 化学卜一 与其它微系统的通信，接口 卜 器 器 i 其它卜 图1 1 微机电系统模型 微机械具有传统机械所未有的优异特性，有着广泛的应用前景和可观的 经济效益。概括起来，微机械具有以下几个基本特点叫：1 体积小，精度高， 第一一章绪论 重量轻。其体积可小至亚微米以下，尺寸精度可高达纳米级，重量可轻至纳 克。2 性能稳定，可靠性高。由于微机械器件的体积极小，有些几乎不受热 膨胀、噪声等因素的影响，具有较高的抗干扰性，可在较差的情况下稳定工 作。3 能耗低，灵敏性和工作效率高。完成相同的工作，微机械所消耗的能 量仅为传统机械的十几分之一或几十分之一，而运作速度却可达其1 0 倍以上。 由于机电一体的微机械不存在信号延迟等问题，从而更适合高速工作。4 多 功能和智能化。许多微机械集传感器、执行器和电子控制电路等为一体，特 别是应用智能材料和智能结构后，更利于实现微机械的多功能化和智能化。 5 适于大批量生产，制造成本低廉。微机械能够采用与半导体制造工艺类似 的生产方法，像超大规模集成电路芯片一样，一次制成大量完全相同的零部 件，制造成本比传统机械加工显著降低。 目前，微机械的研究已经从基础研究阶段逐步跨入研制开发与实用阶段，许 多微传感器已经在某些行业得到成功应用。2 0 0 2 年5 月在s 锄j o s e 召开的m e m s 传感器世界博览及研讨会提出了b i o m e m s b i o s e n s o r 的新观念，探讨了m e m s 在生物工程中的应用前景及所面临的挑战。根据n e x u s 2 0 0 2 年市场调查结果， 商业m e m s 及其应用发展迅速，2 0 0 0 年m e m s 产品的销售额达到3 0 0 亿美元， 预计到2 0 0 5 年将达到6 8 0 亿美元。据日经b p 社2 0 0 5 年报道，仅就m e m s 元件 来说，其市场在2 0 0 5 年将达到5 7 亿美元。2 0 0 7 年全球m e m s 市场达到6 0 亿 美元，而且正在以1 4 的年复合增长率增长。2 0 0 8 年全球m e m s 器件出货量增 长2 5 ，达到2 5 亿颗，营收也随之增长1 1 左右，接近7 8 亿美元。多年来一直 追踪m e m s 市场变化的法国市场研究与战略咨询公司y o l e d e v e l o p p e m e n t 不久前发布的一份报告显示，2 0 0 9 年全球m e m s 市场仍将 温和增长。这份由e et i m e s 转载的报告称，该公司c e oj e a nc h i r s t o p h ee l o y 表 示，2 0 0 9 年全球m e m s 市场总额将增长至8 0 亿美元左右。虽然权重较小的汽 车类业务会下降1 0 左右，不过，占大头的消费类应用则会增长5 ，从3 2 6 亿 美元增长至3 6 亿美元。 。 1 1 2 微机电系统的研究现状 早在1 9 5 8 年，世界上第一块集成电路诞生后，随着大规模集成电路制造技术 的发展，微型机械的研究逐渐引起了人们的重视。美国斯坦福大学首先利用半导 2 第一章堵论 体刻蚀加工工艺，用硅材料制作了滑块连杆的微型机构。1 9 8 8 年，加州大学伯克 利分校研制出直径为6 0 帅的静电微型机电。1 9 9 3 年美国a d i 公司采用基于表面 牺牲屡技术成功地将的微型加速度计商品化并大批量应用于汽车防撞气囊标 志着m e m s 技术商品化的开端。此后m e m s 技术发展迅速，近年来几个有代表性 的研究成果”1 ；美国加州大学伯克利分校的克里斯皮斯特利用微型铰链、齿轮 和发动机制成一个蚂蚁状的人造昆虫，系统由太阳能电池供电，采用多种传感器 来搜集目标的情报。日本通产省工业技术院机械技术研究院山形丰、太森整等开 发出了体积为常规设备万分之一的微型车床和微型铣床。微型车床体琵3 2 m m 、 宽2 5 m m 、高3 0 5 m m 、晕1 0 0 b 、主轴功率1 5 w ，微型铣床体长1 1 9 m m 、宽1 1 9 m m 、 高1 0 2 m m 、主轴为d c 司服电机( 功率5 6 w ，转速2 0 0 0 0 m m ) ，可以节省很多的 能源。研究人员希望剃用这种加工工具直接制作出微米级机械器件。圈i 2 所示 的是德国美囚兹指数研究所的物理学家沃尔夫刚埃尔赞尔德利用两个采用 l i g a 技术制作的直往为5 硼大小的微电机使“1 吐界上最小的直升机”成功升空。 该直升机整体j 有黄蜂大小。重量不到05 鼬飞行高度可达1 3 0 m m 其中仅有削 尖的铅笔头大小，转速却高达每分钟1 0 万转的发动机具有十分诱人的应用前景 例如可以在显微手术仪器、激光扫描等微小仪器中发挥独特的优势。 图l2l i g a 技术制作的镦电机 我国的m e m s 研究始于1 9 8 9 年，“ 五”期间，m e m s 正式列入8 6 3 计划 中的重大专项，加上各种部门立项和投入，预计总经费可达3 亿人民币以上。研 发单位主要集中在华北、华东和东北三个地区代袭单位有清华大学、哈尔滨工 业大学、上海交大、中科院微系统所、中国科大和西安交太等。关于m e m s 的 代表性工作有”：清华大学研制的世界最细超声马达。重量仅3 6 m g ，长5 岬，用 第一章绪论 来研制进入人体管道狭窄器官的医疗器械。哈尔滨工业大学研制出电致伸缩陶瓷 驱动的二自由度微型机器人，其位移为l o m m l o m m ，位移分辨率为0 o l 岬。中 科院上海微系统所研制出直径4 0 0 岬的多晶硅齿轮、气动涡轮和微静电电机等。 1 1 3 光学微机电系统的研究背景及现状 光学微机电系统( m i c r o - o p t i c e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，简写为m o e m s ) 是一种可控的微光学系统，该系统中的微光学元件在微电子和微机械装置的作用 下能够对光束进行汇聚、衍射和反射等控制，从而可最终实现光开关、衰减、扫 描和成像等功能。该系统把微光学元件、微电子和微机械装置有机地集成在一起， 能够充分发挥三者的综合性能，不仅能够使光学系统微型化而降低成本，而且可 实现光学元件间的自对准，更重要的是这种组合还会产生新的光学器件和装置， 其应用将遍及光通信、光显示、数据存储、自适应光学及光学传感等多个方面。 m o e m s 的出现将极大地促进信息通信、航天技术以及光学工具的发展，对整 个信息化时代将生产深远的影响。从9 0 年代末期开始，信息技术、光通信技术的 发展，使得基于光通信的m o e m s 成为研究的热点。这些利用m e m s 技术制作的 新型光器件，插入损耗小，光路问相互串扰极低，对光的波长和偏振不敏感，并 且通常采用硅为主要材料，从而器件的光学、机械、电气性能优良，并且采用模 块化设计，方便扩展应用1 。 巨大的市场极大的促进了m o e m s ，尤其是可应用于光纤光通信的m o e m s 的发展，如光开关、可调光衰减器、可编程光学多路复用器等。然而，m o e m s 并不局限于光通信领域的应用。自从2 0 0 1 年起的美国经济萧条，随着电信产业的 低迷，很多公司中止或取消了基于光通信的m o e m s 研究计划，一些公司正在成 功的探索能够扩展m o e m s 用途的新的应用领域，这些领域包括基于数字微镜装 置( d m d ) 的显示装置、红外成像仪、分光计中的微部件、条形码读取器、无掩模 光刻、自适应光学以及装在汽车上的平视显示器( h e a d u pd i s p l a y ) 等。在德州仪 器( t i ) 公司的以d m d ( d i g i t a lm i c r o m i n o rd e v i c e ) 技术为基础的投影显示设备是 一种非常成功的m o e m s 设备，现已经成功的商品化。图1 3 所示就是已商品化的 投影仪中的微镜阵列。其中含有8 4 8 6 0 0 片微镜，每片微镜尺寸1 6 岬1 6 p m ， 工作时投影图像的每个象素都打到单独的微镜上晦1 。这种基于m o e m s 的投影设 4 第一章绪论 备具有寿命长、上作稳定、转换时问短和图像分辨率高等优点，且在光通信领域 有重要的应用前景。目前1 1 公司己推出具有1 2 8 0 7 2 0 微镜阵列的投影仪。 幽13 德州仪器公司制造的基于帅酬s 的帅 这些新兴的非光通信应用具有巨大的潜力。在2 0 0 3 年，m o e m s 的市场份额 达到4 5 亿美元9 5 亿美元( 美国国防预先研究计划局d 础公布) ，据y o l e d e v e l o p p e m e n t 公司报告2 0 0 7 年m o e m s 市场规模为5 6 3 百万美元，2 0 0 8 年为6 1 5 百万美元，而2 0 0 9 其将达到7 4 l 百万美元的规模。 在我国，m o e m s 项目也进入了8 6 3 和9 7 3 等重大项目的立项，并取得了一些 成果。比如上海光机所和上海交大已在2 0 0 4 年9 月完成了8 6 3 项目“基于m o e m s 无阻塞1 6 1 6 阵列光开关”，总体上来说，我国m e m s 研究起步晚，研究深度、 广度和规模及技术水平等，与先进国家相比尚存差距。 1 2 常用的m e m s 微驱动技术 m e m s 结构按其功能和用途大体可以分为四种：被动的非运动m e m s 结构 m e m s 传感器，m e m s 执行器，集成传感器和执行器的m e m s 系统。对于占有微 型机械领域中重要地位的m e m s 传感器和执行器得研究是整个研究内容的重中 之重。由于微机机械的尺度一股都在微米量级之f 所以在驱动其呵动部件时， 晕力和惯性力的作用不再显著，而摩擦力和静电力等力的作用更加明屁。由此其 驱动方式与宏观的机槭系统的驱动方式应有所变化，但是仍有一些可以借鉴的宏 观领域的成功经验。这些驱动方式的机制有：静电力驱动、电磁力驱动、压电力 驱动、热驱动、屯液驱动、凝胶驱动、气动、超生波驱动、光驱动、气泡驱动以 及形状记忆合金膜片驱动等等，下面将介绍几种最为常见的驱动方式“1 。 第一章绪论 1 2 1 静电力驱动 静电力驱动是利用电荷问的吸引力和排斥力的互相作用顺序驱动电极而产 生平移或旋转的运动。静电作用属于表面力，它和器件尺寸的二次方成正比，在 尺寸微小化时，能够产生很大的能量。其优点是：1 采用电压控制；2 驱动力 与体积比极高；3 其制作工艺与i c 相仿；4 低能耗和短时间响应。静电微泵 是静电力驱动的典型例子。当给激励电极加电压后，可挠性膜片将根据电压的方 向和大小不同，产生凸凹形变，从而使谐振腔内产生相应的方向和大小的脉冲压 力，打开或关闭阀的出入口，从而实现微泵的致动功能。图1 4 是采用静电梳状 结构的微操作器。静电力驱动微操作器在制作上采用体硅和表面微机械加工工艺， 可以和微电子工艺兼容。同时静电梳状结构的操作器作为驱动器件或传感器，已 在微机电系统尤其是表面微机械器件中得到广泛的应用，如微加速度计、微陀螺、 微振动电动机等。 图1 4 静电梳状结构的操作器 1 2 2 压电驱动 利用压电材料的逆压电效应，可以将电能转换为机械能。压电元件的振动方 式，不仅与元件的几何形状有关，而且还与其形状对晶轴的相对关系以及电场的 方向有关，这就为使用带来多种选择，因此在驱动系统中，应用非常广泛。其优 点是：1 响应速度快；2 输出力大( 各尺寸比) ，可达数千帕；3 微小位移 输出稳定，非常适合制作微小的致动器的元件( 从纳米级到微米级) 。压电致动 器最常见的运动方式为直线运动或旋转运动，压电致动微泵是最早研究的微型 泵。压电驱动一个重要应用就是原子力显微镜( a f m ) 中用于精确控制微小扫描 移动的压电陶瓷管。图1 5 是几种压电驱动微操作器。 6 第章绪论 图l5 几种压电驱动微操作器 1 2 3 电磁力驱动 电磁力驱动的机制是基于电、磁问互相作用产生的驱动力。其优点足：l 具 有旋转辅可以传送能量：2 其控制系统已很成熟易和宏观系统直接联接使 用；3 电磁式微动器为三维空间的结构；4 可在恶劣的环境下工作：5 与静 电式微动器相比较装配容易且驱动力大。电磁驱动的典型例子足徽电磁阀和 平而式电磁微屯机，有的m e m s 开关也有用屯磁驱动的。圈1 5 就是利j i 硅耦台 技术奏现辅确的气隙控制，通过刻蚀和光刻等技术制作出的磁驱动的微制动器结 构 、l 坩咄v l k n h m m “ so m d 幽15 电磁驱动的馓制动器结构 1 2 4 形状记忆合金驱动 形状记忆台金( s h a p e m e m o r y a l l o s m a ) 用于微器件的设计与制作主要 第一章绪论 是根据它们两个基本性质相变后发生形变；恢复过程中伴随产生力及位移。形 状记忆合金本身的电阻值很高，可方便地通过输入电艟转换为热能的方法来驱动 通常直流、交流或脉冲电流都可以使用。在驱动过程巾加热速度可以非常快， 但冷却进程完全依赖热传导及热辐射，不容易控制，这是影响其响应速度的一个 关键因素。其优点是：1 有很高的力，重量比：2 可利用微加工技术来加工；3 驱 动电压低；4 机构简单、容易设计；5 远距离操作性能好驱动控制方式成熟。 其不足足；l 记忆形状有某种程度的不稳定；2 材料特性的变化，尤其是电阻 值的变化，会改变驱动频率；3 疲劳作用使恢复应变特性降低：4 连接元件易 损耗。图l6 是种机构简单，功能重量比比较高的环形s m a 微夹持器钳口部分 正常状态和张开状态的照j “。图l7 足采用s m 来做驱动器的微泵l 。 蚓l _ 6 王f = 形s m a 微夹持器钳口部分 酗l7 利用s m a 驱动的微泵 1 2 5 热驱动 热驱动的机制足基于固体或气体膨胀。热固驱动最为典型的应用就魁般金属 驱动。双金属驱动的致动双金属片是由两种导热系数不同的金属组合而成，利用 镕一章呛 其中两种金属在相周的温差下膨胀或收缩量的不同产生内应力，从而使双金属片 产生的形变而工作。利用该原理，k o l e s a r 等实线了热驱动微悬臂梁“”( 如图1 8 所示) ，h e n n i n g 等实线了微型阀门”( 如图1 9 所示) 。而热气驱动是通过对 一个密闭的小气室进行周期性加热，气室周期性受热膨胀、冷却收缩，导致属于 气室一部分的可移动膜片周期性振动，为致动器提供驱动力。致动器的上升时问 由热容量和加热器可获得的功率确定，释放时间则取决于与外界的热交换。 图l8 热骓动微息臂粱 h l9 微掣州 1 2 6 其他驱动方式 使用其他工作原理的微操作工具还有很多，这里不一一介绍，仅举几个典型 例子。2 0 0 0 年美国康奈尔大学s o o n g 等在活细胞内的能源机制启发下，制造出一 种分子马达。这种微型马达以三磷酸腺营酶为基础，依靠为细胞内化学反应提供 第一市绪论 能量的高能分子三磷酸腺苷( a t p ) 为能源。把金属镍制成的螺旋桨嫁接到三磷 酸腺苷分子中轴上，制造了一台纳米机器”。当它们被浸于a t p 溶液后。期中5 个分子马达转动了起来，转速达到每分钟8 转。其镍螺旋桨眭7 5 0 n m ，如图1 1 0 所示。而图ll l 所示为中国科学技术大学研制的一种利用微观物体在湿度环境 下表面粘附力制作的单臂粘附力微探针实验照片它能实现9 0 1 9 0 岬微器件 针对各种微操作器。 刿1l l 竹臂粘附力微探针 总结各类微操作器的结构特征及其特点，如表il 所示 农ll 微操作器的结构特征及特点 分类 结构特征特点 | 静i u 驱动 平板电容结构 驱动力相对较大，位移小，控制难，j c 兼容性好 梳状驱动器 驱动力与位移无关，位移大驱动力小，i c 兼容 性好 第一章绪论 压电驱动压电体结构 位移小，通常与放大结构配合使用，驱动力大， 难以与i c 工艺兼容，体积大，驱动电压高 压电薄膜结构驱动力大，变形量相对较大，驱动电压高，i c 兼 容性好 热驱动 外置热源双金属 驱动力大，变形量较大，体积大，制作容易 结构 内置热源双金属 驱动力大，变形量较大，体积小，i c 兼容性好 结构 记忆合金 驱动力大，变形量大，难以与i c 兼容性好 电磁驱动内置电磁元件驱动力较大，变形量较大，体积大，不与i c 工艺 兼容 外置电磁元件驱动力较小，体积小，i c 兼容性好 1 3 光驱动技术 和上述常用的微驱动技术不同，光驱动技术( 或称光镊，o p t i c a it w e e z c r s ) 是利用光的物理性质，通过光与物质相互作用来实现对物体的捕获和操纵。光驱 动过程是以光做能源，通过动量传递或者能量转换来达到驱动微物体的目的。与 其他m e m s 驱动方式相比，光驱动有很多独特而显著的优点：1 无接触驱动。 由于光驱动技术是利用光将能量传给物体，所以光驱动是以一种温和的非机械接 触方式来操纵物体，从而避免了驱动过程中对微器件的破坏和损伤。2 结构简 单。光镊仅用单束强聚焦激光即可实现，无需复杂结构，可以简化微器件的制作。 用于聚焦的物镜同时也可用来实时观察，因此也减少了定位的困难，方便了操作。 3 解决了微机械中能源的问题。光驱动是由外加激光供给驱动能源，这样就不 需要考虑其他驱动方式的能源供给问题。而且，由于不需要导线或者微流道等供 能结构，大大简化了m e m s 系统的复杂程度，进一步也提高了m e m s 系统工作 的稳定性。4 ，在生物上的应用具有特殊意义。由于光镊对生物粒子破坏很小， 生物粒子能够在被光镊捕获的情况下进行正常的生命活动，使得光镊成为研究生 物粒子、细胞的复杂功能中的利器。这些优点使得光镊在微细结构的捕获和操控 方面有着广泛的应用前景，并将直接推动微光机电一体化( m i c r 0o p t o m e c h a 的n i c ) 的进程。 1 3 1 光辐射压力 1 6 9 1 年德国天文学家卡普勒提出，彗星的尾部之所以偏向太阳，是因为彗 1 l 第一章绪论 星尾部受到的太阳辐射的作用力，这就是光辐射压力存在理论的首次出现。1 8 7 3 年麦克斯韦根据他的电磁学理论说明光本身可以产生光辐射压，并计算了垂直入 射到部分反射吸收体表面的光压值为p = ( 1 + r ) e c 。其中e 为单位时间入射到 单位面积上的光能量，c 为真空中的光速，r 为物体的反射系数。从光的量子性来 看，光是由光子组成的。每个光子的动量为h v c 。光压可以被解释为光子将其动 量传递给作用的物体。设单色光正入射到物体上，n 个光子携带有能量为e = n h v 。 传递给绝对吸收的物体的动量为n h v c ，传递给绝对反射的物体的动量为2 n h v c 。 考虑一般情形，n 个光子传递给物体的动量为： ( 1 一r ) n 警+ r 2 n 警= n 警( 1 + r ) = 罢( 1 + r ) ( 1 1 ) 和麦克斯韦的公式一致。 虽然光压理论早已提出，但是光压的测量十分困难，因为在通常的实验条件 下，光压只有1 0 1 6 到1 0 一7n m z ，而且在测量时必须完全消除由空气热对流引起 的“辐射计”效应。1 9 0 1 年俄国科学家列捷别夫用光照射真空中由细丝悬挂的悬 体，悬体上固定的一个翼被涂成黑色，另一个保持光亮。由于光亮的翼和光束的 作用受到推力，在实验观察到悬体发生偏转，证明了光压的存在u 引。1 9 3 6 年， 美国物理学家r i c h a r da b e t h 进行了有名的b e t h 实验u 圳，通过将一束圆偏振光照 射到由细丝悬挂的石英半波片上，首次成功的观察由于光子的角动量实现的物体 的旋转。圆偏振光通过半波片后，其角动量将变化2 危，这部分动量传递给半波 片，使半波片发生旋转( 如图1 1 2 所示) 。 图1 1 2b e t h 实验 第一章绪论 2 0 世纪6 0 年代，随着激光的出现使得对光辐射压进行广泛的研究成为可能， 从实验上证明了光辐射压得存在。图1 1 3 是1 9 6 4 年s t i r n l e r 实验系统n 引，利用大 功率激光照射真空室中用细丝悬挂的两片旋转镜，使其产生旋转力矩。通过激光 反射光的偏转精确测出旋转镜的转角，即可求出产生的旋转力矩，直接观测光压 产生的力矩。 譬1 1 | 图1 1 3s t i m l e r 的测量光压系统 利用光微粒学说来解释此现象，考虑强度为i 的激光垂直照射到静止的全反 射镜子上，一个光子撞到镜子上再返回，发生的动量变化为2 n h v c ；在时间间 隔6 t 内就有1 6 t h v 个光子撞击镜子，则镜子受到得冲量为： f 6 t = 三6 t 坐= 鲨( 1 2 ) 陬= 而6 t 了= 亍 ( 1 2 ) 设镜子受光照射的面积为s ，则光压p 为： 2 i p 2 西 ( 1 - 3 ) 假设有一束波长为1 0 0 0 n m ，强度1 0 m w 的激光照射在面积1 岬2 上，光束相当于 每秒5 1 0 1 6 个光子的光子流，光压为6 0 n m 2 ，作用于全照射场的力就是6 0 p n 。 对假说的验证落后于假说的提出近三个世纪，这主要是因为光辐射压力是极 其微弱的，毫瓦量级功率的光仅可产生皮牛顿( 1 0 1 2 n ) 级的作用力和皮牛微 米( 1 0 1 8 n m ) 级的力矩n 7 1 1 引。如此小的力和力矩在宏观领域作用非常不明显， 第一章绪论 但是在微观领域却可以实现对具有微纳米尺寸的物体的光学操纵和驱动。 1 3 2 光镊技术的产生和发展 l 图1 1 4 ( a ) 利用两束方向相对入射的激光束对2 6 8 u m 直径的微粒的稳定光捕获】； ( i ) ) 利用光压与粒子重力相平衡在空气中实现直径约2 0 p m 微粒的稳定悬浮。 1 9 6 9 年a s h l ( i n 实验观察到光压对2 6 8 姗直径的微粒的加速现象，并依靠两束 方向相对入射的激光束，实现了2 6 8 衄直径的微粒的稳定光捕获( a s h k i n 称之为 f 光势阱”或者“光瓶”) ，如图1 1 4 ( a ) 1 9 1 。1 9 7 1 年a s h k i n 等又利用光压与粒 子重力相平衡，在空气中实现粒子悬浮，粒子尺寸1 5 2 5 咖，如图1 1 4 ( b ) 乜。 这种平衡可以稳定的存在，粒子可以实现数个小时连续悬空。1 9 7 5 年a s h k i n 等利 用同样的方法实现了在液体中悬浮微粒，并将结果发表在s c i e n c e 上瞄。但是这 些应用都需要两束激光或者激光和别的外力作用( 如重力或者基底的约束反力) 才能实现微粒的稳定捕获，大大限制了光镊的应用。1 9 8 5 ，a t tb e l l 实验室的 华裔科学家朱棣文( s t e v e nc h u ) 领导的研究小组在年利用单光束激光捕获并冷 却了中性原子2 刳，并因此获得1 9 9 7 年的诺贝尔物理学奖。1 9 8 6 年，a s h k i n 等发现 单独一束强聚焦的激光就足以形成三维都稳定的能量阱，可以吸引电介质粒子并 将它稳定的束缚在激光束腰的中央鼢1 。第一部光镊诞生，也掀开了之后2 0 多年 光捕获和光驱动的快速发展和广泛应用的序幕。 光镊的发明使得在许多研究中，人类可以从被动的观察转而成为主动的操纵， 可以精确的移动从几十纳米到几十微米尺寸的粒子，并且施以无破坏性的远距操 控。这项技术很快地就开始在许多领域中被广泛应用，尤其是生物及物理科学方 面，以下仅列举一些有代表性的例子2 劓。1 9 8 7 年，a a s h k i n 和j m d z i e d z i c 用光 1 4 第一章绪论 镊对病毒和细菌进行了捕获和操作实验，证明使用适当功率的光镊对生物没有明 显损害，但两种生物对光功率的耐受性不同。1 9 8 9 年他们又用光镊研究了植物 细胞膜的粘性和弹性。k g i i e u l i c h 和m b e m s 实验室结合光镊和激光刀进行了诸 如细胞融合等各种微型外科手术，此后又用光镊开辟了杀伤t 细胞与其靶细胞的 免疫反应研究，用激光刀和光镊切割和收集了染色体片断以进行基因排序。光镊 在细菌和酵母等的培养中分离独立细胞个体方面有很好的应用，可做为细胞分类 器，已有相关产品问世。使用可被光镊牢固捕获的聚乙烯或硅小球做为微手柄来 操作生物物质是光镊技术的一大突破性进展，标准尺寸和形状的聚乙烯或硅小球 具有较大的折射率，从而可获得更大的光阱力，也更易于标定。s c h u 等将聚乙烯 小球粘附在单个d n a 分子链的一端或两端，并将d n a 分子进行嵌入染色以便在 荧光下观察。使用这种方法他们先把d n a 分子拉紧，然后释放一端使之随机松 弛到原始螺旋结构，以研究其力学特性，d n a 聚合链的特征性运动现象解释了 许多生物材料的粘弹性行为。a r a i 等用光镊实现了d n a 分子的扭转、打结等高精 度的分子操作和分子力学研究。b r o u h a r d 等用分时控制声光偏转器的方法，研制 了稳定的多光束光镊并进行了染色体结合驱动蛋白移动实验。 1 3 。3 光驱动技术的研究现状 由于光镊技术兼有微纳米尺度粒子的捕获和皮牛顿量级力的测量两项功能， 目前已被广泛应用于物理、化学和生命科学等研究领域，诸如研究介观胶体系统 的物理性质娩5 l 、单分子水平上的生物化学驱动力乜旬以及生物聚合体的力学特性 1 等。伴随着激光捕获技术的应用，出现了各种不同结构的光镊形式汹1 。 1 3 3 1 常规光镊 常规光镊一般采用高斯光束( t e m 0 0 模) ，并经大数值孔径显微物镜聚焦来产 生光阱。根据高斯光束的传输特点，由于光束离开焦点瑞利长度后会显著发散， 故高斯光束光阱只能工作在光束焦点附近( 距微粒数微米) ，否则无法有效地捕捉 粒子。图1 1 5 所示为最常规的单光束光阱系统的典型结构图。激光束经扩束器扩 束后，由反射镜、分束镜反射，填满显微物镜入瞳，在物镜焦平面上形成最小光斑， 以捕获微粒。通过移动样品台，样品池中的微粒可被操纵。光阱对微粒的操作过 程由c c d 摄像系统进行图像采集，并由显示器屏幕显示。 第一章绪论 4 1 3 图1 1 5 单光束光阱的典型结构 1 激光光源：2 扩柬器：3 反射镜：4 分束镜：5 显微物镜：6 样品台：7 样品池；8 照 明系统：9 、1 0 反射镜；1 1 滤色片：1 2 数码摄像头：1 3 计算机主机：1 4 显示器。 在光镊系统中，显微物镜一般选用数值孔径n a 较大的油浸物镜。较大的数值 孔径可以产生强会聚激光束，形成较大的光强梯度，有利于提高光阱的捕获效率 和稳定性。通常，显微物镜参数n a = 1 2 5 1 4 0 ，放大倍率为4 0 1 0 0 。激光光源采 用连续激光器，激光功率为几十毫瓦至几瓦。 1 3 3 2光纤光镊 常规光镊系统通常是建立在光学显微镜平台上的，配置有准直扩束器、分束 器等光学元件，体积较大，结构固定。对于某些较为复杂的操作要求，常规光镊系 统在结构上缺乏灵活性，操作自由度较小。光纤作为导光介质，其柔性特征更适合 复杂空间的微操作要求。 1 9 9 3 年，c o n s t a b l e 等人采用两个带单模尾纤的激光二极管作为光源，两根平 端输出光纤相对排列，形成了三维光学势阱，成功地捕获和操纵了微米尺度的聚 乙烯球和活的酵母菌唧1 ，由此人们开始了对光纤光阱的研究。1 9 9 5 年，l y o n s 等人 使用两根带有半球透镜的锥形光纤来取代平端头光纤，完成了对微米介质微粒的 捕获叭。由于光纤透镜的使用，光学势阱的稳定性得到了提高，从而有可能捕获 较大体积的粒子。1 9 9 7 年，t a g u c h i 等人首次使用一根单模光纤来耦合激光光源， 所形成的光纤光阱捕获了微米量级的聚苯乙烯球和酵母细胞。如图1 1 6 所示， 将激光耦合到单模光纤，把光纤出射端面做成一个微米尺度的半球形微透镜，经 光纤微透镜聚焦形成梯度力以捕获粒子。在该实验中，由于捕获激光束的会聚力 第一章绪论 较弱，轴向梯度力还不足以克服粒子重力，所以无法实现光学悬浮。t a g u c h i 等人 还使用了两个光纤光阱，并使之形成一定的夹角，巧妙地利用了其合力，在液体中 完成了对微米量级介质球的空间捕获和搬运b 幻。为了提高光纤光阱的捕获效 率，n u 吼t a 等人在单模光纤平端面上粘上了一个微米尺度的微球透镜，从光纤出 射的光线经过球透镜聚焦后，产生了较大的梯度力，成功地实现了对2 0 0 n m 金粒子 的捕获和固定瞄。 图1 - 1 6 单模光纤光阱试验装置图 光纤光阱还可以与光谱仪结合起来使用，以获得捕获粒子的光谱信息。2 0 0 2 年，j e n s e n m c m u l i i n 等人采用腐蚀法加工v 型槽，以v 型槽作为光纤的准直定位 手段，建立了由两根单模捕获光纤和一根多模光谱探测光纤组成的光纤光学捕捉 探测系统口”引。实验中，两根单模捕获光纤由v 型槽固定，相对排列。经过化学 处理后，6 “m 的聚苯乙烯球在捕获光源的照明下发出荧光，荧光信号由集成在光 纤光谱仪上的多模探测光纤采集。粒子位置的移动既可以通过光谱仪上的散射光 的峰值来探测，也可以通过显微镜来观察。实验发现，光纤的准直定位对产生光纤 光阱极为重要。当光纤的准直精度较低时，粒子只是沿着光轴向前运动而不能被 捕获。只有当两根光纤精确对准时，才能形成光阱，通过调整捕获激光的输出功率， 粒子可以在两根光纤端面之间沿光轴来回平移。与常规光镊系统相比，光纤光阱 具有结构简单、价格低廉、操作灵活的特点。由于其结构尺寸较小，光纤光阱可 以加工到微流体器件中，形成集成式的微实验环境，更易于与微机电系统( m e m s ) 相结合，以便最终实现激光微操作的自动化。 1 3 3 3全息光镊 近年来，在激光捕获技术中应用到了衍射光学元件( d o e ) ，用来生成结构形 1 7 第一章绪论 式复杂的捕获光束，产生了一种全新的光镊形式全息光镊刚。全息光镊采用 计算机设计的d o e ，它把单个入射光束分割成多个光束，每个光束经显微物镜聚 焦形成一个光阱，因此全息光镊可以用来构造多光阱阵列。1 9 9 8 年，d u fr c s n e 等 人首次采用这种方法构造出了一个4 4 排列的方形光阱阵列，成功地在去离子 水中捕获了1 6 个半径为o s m 的s i 0 2 微球瞄。随后，他们采用相同的方法产生了 可以捕获多达4 0 0 个粒子的光阱阵列引。由d o e 形成的光阱阵列，其图案排列固 定。采用液晶空间光调制器( s l m ) 作为可变形d o e 还可以产生排列可变的光阱 阵列动态全息光镊口引。液晶s l m 包含许多由计算机控制的像素单元，通过 施加电场，可以实时调整每个像素上的液晶的取向，从而产生相应的相移，最终在 光学捕获面上形成实时可变的光强分布图案，其中的每一个亮斑可以捕获一个粒 子。如图1 1 7 所示，捕获激光经扩束、反射后入射到液晶s l m 上，经过其实时位相 调制后反射，耦合进入常规光镊光路中，由显微物镜聚焦产生实时可变的光阱阵 列。2 0 0 3 年，v i n c e n t 等人采用可寻址液晶s l m 对入射激光进行位相调制，利用所 生成的复杂光强分布，一次捕获了2 5 个s i 0 2 微球，通过动态改变光束形状，阱阵列 中的多个粒子可进行有选择性地移位h 0 1 。由于动态全息光镊的光学捕获和操纵 性能仅受s l m 的光学特性和所生成的全息图计算时间的限制，通过改进s l