（测试计量技术及仪器专业论文）基于激光捕捉技术的微细加工.pdf

浙江大学顺i ：论立 摘要 y s 8 1 2 9 本文首先介绍了现有微细加工方法并对其进行比较，提出基于激光捕捉( l a s e r t r a p p i n g ) 实现微细加工的新技术。 激光捕捉技术又形象地被称为光镊，它是激光光压的主要应用之一，是利用一 束高度会聚的激光形成的三维势阱实现对微小粒子( 亚微米到数十微米大小) 精确 定位和操控。文中综述了这一新型技术的研究现状，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。 r c g a u t h i e r 在1 9 9 7 年首次提出将“光镊”应用于微自h _ - c 领域，可实现对微小 器件的非接触式移动、操纵和组装，但r c g a u t h i e r 未提到将它应用于表面或体 微细加工。文中创新性的提出将几个微米的高强度微粒子( 如金刚石、碳化硅、石 英等) 作为微加工工具，在光镊的驱动下在加工表面产生移动、高速转动及振动， 从而完成微米乃至纳米级的加工任务。这种新型加工技术具有易实现、易控制、高 加工精度、可实现三维加工的四大特点，克服了现有加工方法的缺点。 本文从理论和实验两方面研究对其进行了论证。理论研究以量子光学为理论基 础，利用几何光学和动量守恒定律建立了仿真模型，实现了对任意形状米氏粒子受 力的计算机仿真。了解了各项参数对粒子捕捉力和光力矩的影响，确定了最佳捕捉 条件。实验研究以理论研究为基础，建立了满足最佳捕捉条件时的实验装置，并在 国内首次实现了在液体中对高强度粒子的捕捉，并使被捕捉的粒子在加工面上反复 移动及转动，获得了2 n m 的表面微细刻痕。同时还通过实验比较，定性分析了最佳 1 加工条件( 如激光功率和加工表面参数) 。 关键词：激光捕捉、微粒子、光镊、辐射压、微细加工 蓑臻翱意 ，i 浙江大学蟛i j 论文 a b s t r a c t i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，k i n d so fm e t h o d so fm i c r o m a c h i n i n g i s i n t r o d u c e d ，a n d c o m p a r e dw i t he a c ho t h e r b a s e do ni t ，m i c r o m a c h i n i n gb a s e do nl a s e rt r a p p i n go f m i c r o s i z e dp a r t i c l e si sp r e s e n t e d l a s e rt r a p p i n gt e c h n o l o g y , c a l l e do p t i c a lt w e e z e r s ，i sap r i m a r ya p p l i c a t i o no fl a s e r r a d i a t i o np r e s s u r e w h e nat i g h tf o c u s e dl a s e rb e a mp a s s e st h r o u g ham i c r o p a r t i c l e ，t h e p a r t i c l ew i l lb eo r i e n t a t e da n d c o n t r o l l e dw i t h h i g ha c c u r a c y , d u e t ot h et h r e e d i m e n s i o n a l o p t i c a lg r a d i e n t f o r c e t h i s p a p e r s u m m a r i z e sc u r r e n t i n v e s t i g a t i o n o nt h i sn o v e l t e c h n o l o g y l a s e rt r a p p i n g i s a l r e a d yw i d e l y u s e di n b i o l o g y , m e d i c i n e ，p h y s i c s ， c h e m i s t r y ，a n ds oo n ，b u ti t sa p p l i c a t i o nt om i c r o m a c h i n i n gi sj u s ta tt h eb e g i n n i n g i n 19 9 7 ，t h i si d e aw a sp r e s e n t e db yr c g a u t h i e rf o rt h ef i r s tt i m e h ep r e d i c a t e dt h a t t h en o n - c o n t a c t ，c o n t r o l l e dd i s p l a c e m e n t ，m a n i p u l a t i o na n da s s e m b l yo f m i c r o - m a c h i n e s c o u l db ei m p l e m e n t e db yl a s e rt r a p p i n gt e c h n o l o g y h o w e v e r , r c g a u t h i e rd i d n 、t f i n do u ti t s a p p l i c a t i o n t os u r f a c eo rb u l k m i c r o - m a c h i n i n g w e i n n o v a t et h a t m i c r o m a c h i n i n g i s i m p l e m e n t e db yc u t t i n gt h ew o r kp i e c eu s i n gt h em i c r o p a r t i c l e s t r a p p e db y t h ef o c u s e dl a s e rb e a m t h e m i c r o p a r t i c l e sm a d e o fd i a m o n do rs i l i c ac a nn o t o n l yb em o v e da n dp u s h e d ，b u ta l s ob er o t a t e da n dv i b r a t e db yt h er a d i a t i o np r e s s u r e i n d u c e db yt h el a s e rb e a m t h e r e f o r et h e yc a nb eu s e da sm i c r o m a c h i n i n gt o o l s t h i s n o v e lt e c h n o l o g yp o s s e s s e sm a n yv i r t u e s i tc a nn o to n l yb ei m p l e m e n t e da n dc o n t r o l l e d s i m p l yb u ta l s o f u l f i l lt h r e e d i m e n s i o n a lm a c h i n i n gw i t hh i g hp r e c i s i o n ，w h i c hi sn o t a c h i e v a b l eb yc o n v e n t i o n a lm i c r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g i e s t h e o r ya n de x p e r i m e n to fm i c r o m a c h i n i n gb a s e d o nl a s e r t r a p p i n g o fm i c r o 。s i z e d p a r t i c l e sa r es t u d i e di nd e t a i l b a s e d o nq u a n t u mo p t i c s ，m a t h e m a t i c a lm o d e lo fl a s e r t r a p p i n go nm i em i c r o p a r t i c l e s i se s t a b l i s h e du s i n gg e o m e t r y lo p t i c sa n dm o m e n t u m c o n s e r v a t i o nl a w , a n dt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nf o rl a s e rt r a p p i n go na r b i t r a r ys h a p e d m i c r o p a r t i c l e s i sr e a l i z e db yn u m e r i c a la n a l y s i s ，b ys i m u l a t i o n ，w ek n o wh o we a c h p a r a m e t e ra f f e c t st r a p p i n g f o r c ea n do p t i c a l t o r q u ea n dt o a s c e r t a i nt h eb e s tt r a p p i n g c o n d i t i o n s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eo p t i c a ls y s t e mf o rl a s e rt r a p p i n g ，w i t hw h i c hh i g h 浙江大学硕士论文 r i g i d i t ym i c r o p a r t i c l e si nl i q u i dc a r b et r a p p e da n dt h em a c h i n i n gt r a c e o f2 n mo n w o r k p i e c es u r f a c e i sf i r s ta t t a i n e di nc h i n a b ye x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，t h eq u a l i t a t i v e a n a l y s i so f t h eb e s tm a c h i n i n gc o n d i t i o n s ，s u c ha sl a s e rp o w e ra n dm a c h i n i n gf l o o r ，i s o b t a i n e d k e y w o r d s ：l a s e rt r a p p i n g 、m i c r o - p a r t i c l e s 、o p t i c a lt w e e z e r 、r a d i a t i o np r e s s u r e 、 m i c r o - m a c h i n i n g - l i i 新江人学硕1 ：论义 1 1 研究背景 1 1 1 引言 第一章绪论 在工业化时代，世界各地均以制造大型机器而自豪。随着科学技术的发展，特别是近 几年在微电子、微光学、微机械以及现代微生物学的迅猛发展和全新突破，人类已将观察 世界的目光和改造世界的手段越来越集中于微观世界领域。各种科学仪器的小型化、便携 化和集成化，研究手段的智能化、交叉化和全面化，使科学研究和现代新兴产业都朝微型 化的方向发展。过去认为不可能实现的加工手段现在已经成为可能，过去认为毫无相关的 学科领域现在正有机地结合在一起。然而研究领域和研究手段的微型化并不简单等同于外 形尺寸上的缩小，其根本的目的在于能够出微器件构成的系统有更高的技术集成度、更快 的口l f ! l 应速度、更好的性能组合、更高的可靠性以及更低的价格。微鳃加工技术在提高机电 产品的性能、质量和发展高新技术中起着至关重要的作用，因而微细加工受到人们的高度 重视，是当今制造业最为活跃的研究方向之一，它并且已成为在国际竞争中取得成功的关 键技术。 微细加工技术的最终目标是实现原子大小程度的尺寸加工，它是人类向从未踏入过的 领域进军的必须手段之一。在7 0 年代，利用微细加工技术发展了微电子学，半导体集成电 路的发展使电子系统实现了高度的微型化、集成化。但功雒器件。如传感器、驱动器、执 行器、调节器等仍是常规结构，尺寸上十分不配。因此，在8 0 年代首先出现t n 用微细加 工技术制造的微机械及微电器，在硅基平面上可做出杠杆，齿轮，微阀，微泵，微电机， 微驱动源，微执行器等功能微器件，这就促使光学必须进入微型化。因此，在8 0 年代中期 以后出现了微光学，这是用光刻、波导及薄膜等微细加工技术技术制成的光学微器件，如 半导体激光器( a w ) 、集成光纤、波导干涉仪、二元光学元件等。随着微光学的发展， 人 f 不仅可以在硅芯片上制作出与村底平行的微光学元件，更可以镣4 作出与衬底垂直反 射、衍射、全息、变折射率器件、波导器件。开始实现微光学平台( m o t ) 。光学平台 与微机电系统( m e m s ) 结合最终出现了微光机电系统( m o e m s ) ，开始实现工业科学 上的两大追求微型化和智能化。世纪交替之际，人们提出l a b d nc h i p 的概念，它就 是最近出现的微分析芯片和生物芯片指通过使用半导体工业中的微加工和微电子技术以 浙江大学顿：i ? 论文 及其他相关的技术，将现在庞大的分立式生物化学分析系统缩微到半导体硅芯片中，从而 具有高速度、分析自动化和高度并行处理能力io 可见，微细加工技术是推动整个微电子、 微光学、微机械发展的基础技术。 1 1 2 微细加工技术定义及分类 粗略地讲，微细加工技术可以理解为加工尺度在朋以下的、针对于微小尺寸器件或 薄膜图形的一种加工方法。分类方法如下： l 、从加工尺度来看，微细加工分为微米级加工( m i c r o m a c h i n i n g ) 、亚微米级d n i ( s u b m i c r o m a c h i n i n g ) 和纳米级加工( n a n o m a c h i n i n g ) 。 2 、从发展角度来看，微细加工分为传统加工或称微细机械加工，包括微细切削加工、 微细磨削和研磨加工；非传统加工又称特种加工，包括电子束、离子束刻蚀，扫描隧道电 子显微镜( s t m ) 等。 3 、从实现纳米微结构的方式和途径来看，微细加工分为： ( 1 ) 自上而下或由大到小( t o p d o w n ) 的微细加工方式，即通过材料的去除或堆积 逐步形成所需要的微细结构或器件，如束流加工、切削加工、放电加工、刻蚀 等许多方法都属于这一类。随着研究的深入开展和相关科学技术的进步，这类 方法取得了很大进展，微细加工能力不断提高。 ( 2 ) 自下而上或由小到大( b o t t o m u p ) 的微细加工方式，即通过原子、分子的移动、 搬迁、重组柬构成纳米尺度的微细结构，扫描隧道显微镜( s t m ) 的原子搬移 方法属于此类。这类方法可实现纳米m m ，目前处于研究阶段。， 1 1 3 微细加工技术水平现状 在国际上，美、日、德在微机械及微细加工方面的基础研究与产品丌发方面占领先地 位。我国由于基础、资金等问题，起步较晚，在研究规模、技术水平方面与先进国家相比 尚有一定差距。下面从半导体集成电路( i c ) 和m e m s 技术方面进行比较，说明国内外 微细加工技术水平现状。 1 从半导体集成电路( i c ) 发展看 从1 9 5 8 年美国德克萨斯公司试制了世界上第一块集成电路起，4 0 余年来，半导体集 浙江大学硕士论文 成电路( i c ) 技术正在习新月异地向前发展。单块半导体硅晶片上集成的元器件数目越来 越多，集成电路的功能和速度飞速提高，并遵循著名的摩尔定律：集成电路的性能每过1 8 个 月提高一倍，其加工图形特征尺寸每3 年更新一代，缩小互倍。世界集成电路工艺水平层次 发展预测如表1 1 示2 。 年份2 0 0 l2 0 0 42 0 0 72 0 0 82 0 1 02 0 1 l2 0 1 32 0 1 4 开始试生产0 1 0o 0 7o 0 5o 0 3 5o 0 2 5 开始量产 0 1 30 1 0o 0 7o 。0 50 0 3 5 ( 约1 0 ) 主流生产线 0 - 3 5 - 0 2 50 2 5 0 1 8o 1 8 0 1 30 1 3 - o 1 00 1 0 o 0 7 | ( 5 0 以上) l 残留生产线 0 5 0 以f0 3 5 以f0 2 5 以f0 1 8 以下01 3 以卜 l ( 约2 0 ) 表1 1 集成电路工艺水平层次发展预测特征尺寸 微细加工技术一直是推动i c 发展的“引擎”，其中，实现超微图形成像的光刻技术一 直是推动i c i 艺技术水平发展的核心驱动力。目前o 2 5 “m 生产线采用的主要是2 4 8 n m 氪氟 ( k r f ) 准分子激光器光刻机，而最先进的0 1 8 5 n 0 1 3um 生产线则仍使用2 4 8 n m 光刻机采 用分辨率增强技术( p e t ) 实现。同时，采用1 9 3 n m 的氩氟( a r f ) 准分子激光器作为光 源的光刻机，可以直接用来进行0 1 8 干n 0 1 3 1 t i n 的i c 制造，目前国外采用分辨率增强技术将 其用于0 1 p m 3 - _ 艺的试生产，为大规模生产做准备。估计0 0 7 p m 将成为传统光学光刻的技 术终点。 i c 技术的飞速发展需要先期推出符合i c 工艺要求的商业化i c 制造装备。由于i c 核心 装备的研发难度极高，目前只有少数西方发达国家能够提供，并形成美国、日本、欧洲三强 鼎立的局面。我国国内合资公司引进的i c 生产线已达n 0 2 5 9 i n 的水平，中芯国际今年9 月底 更成功实现了o 1 8 p m 试流片，引进设备的水平仅落后国外一至二代。但是，引进生产线在引 进和使用时受到较为严格的限制，随时可能遭受更为严厉的封锁。目前，我国自主i c 装备 在整机水平上落后达国家4 代，单元技术水平差1 2 代，已基本具备为0 8 1 “m 、6 英寸 i c 生产线提供试生产样机的能力，0 5 9 i n 、6 英寸水平的主要设备初步完成原型样机的玎 发，o 3 5 9 m 以上水平设备的单元技术已有一定突破。虽然我国在传统光刻技术上较为落 一3 一 浙江人学硕i j 论文 后，但我们要抓住0 1 0 0 7 p m 这一重要的技术节点为我国光刻技术的发展带来的机遇， 发展新工艺、新技术实现我国i c 技术的飞跃。 2 从m e m s 发展看 在m e m s 研究领域中，美、同、德等国特别是美国科学家先行进行了广泛、深入的 研究工作。1 9 8 8 年美国加利福尼亚大学柏克利分校首次应用半导体集成电路技术在硅片 上制作出转子直径仅为6 0 9 m 的静电微电机。现在，美国在静电电机、微结构方面的研究 已处于领先地位。日本虽起步晚于美国，但由于政府、学术界和产业界的高度重视，在微 细工具与微细加工、微流量泵、微传感器、微继电器等方面的研究获得了较快的进展。德 国也已研制成振动和加速度传感器、流量与温度传感器等各种微型构件。 我国的m e m s 研究始2 0 世纪9 0 年代初，现已研制了微陀螺与微加速度计、微型传 感器和微型执行器、微流量器件和系统、生物芯片和微电泳仪、微型光开关、微型机器人 和微操作系统、硅和非硅制造工艺。其中微型压力传感器、微型加速度计、微流量传感器 和微气体传感器已经得到少量应用。由于各种原因，我国的m e m s 研究在质量、性能价 格比及商品化等方面与国外有很大的差距。 1 2 现有微细加工方法简介及比较3 本节简述目前应用较多的各种微细加工方法，并对其进行比较，可以看出随着整个制 造技术水平向o ，1 9 m 逼近，现有的微细加工方法已不能满足现在人们的需求，在三维加 工和纳米级加工方面迫切需要工程人员们开发新的加工技术、方法和手段。 1 2 1 硅微加工 硅微加工源自集成电路制造技术，是目前微细加工的主要制造技术它又分为体硅微 加工技术和表面硅微加工技术。 所谓体硅微加工技术是采用各向异性或同性腐蚀剂在硅单晶片上进行湿法腐蚀而得 到微结构的加工方法。它包括各向异性腐蚀法、选择腐蚀法和电化学腐蚀法。 表面硅微加工技术则是以硅为衬底通过溅射或沉积等形成多层薄膜图形，然后把下面 的牺牲层材料蚀刻掉，保留上面的结构图形的加工方法。采用此法可无组装一次制成具有 活动部件、形状较复杂的微结构。目前使用较多的结构材料为多晶硅，牺牲层材料是s i 0 2 或磷硅酸玻璃( p s g ) ，微齿轮、微马达等就是用此法制作的。 - 4 - 浙江火学砸1 ：论文 表面微加工方法比体硅加工方法易于控制，但其局限性是只能加工纵深比不大的薄膜 型结构，一般多晶硅膜厚至多只有十几微米。另外，采用牺牲层蚀刻，易使多晶硅膜产生 内应力，影响最终的机械性能。 硅工艺的特点是易于和微电子技术进行系统集成，工艺较为成熟，然而，难以得到具 有较大高宽比的三微结构。产品主要应用予不需要输出力矩，或者通过光、电耦合输出信 号的场合。 1 2 2 l i g a 工艺4 l i g a 工艺主要是由德国k a r l s r u h e 核能研究中心提出的，是由半导体光刻工艺派生 出的一种微细金属结构件( 或塑料件) 的制造技术。其工艺流程如图1 1 示，首先利用同 步辐射x 射线( 波长为0 2 - l n m ) 透过掩模版对抗蚀剂进行曝光。由于同步x 射线具有 高准直度、高辐射强度，因而可以进行高达数百微米的厚层抗蚀荆层曝光，并能保证刻蚀 后侧壁的垂直性。第二步是电铸。将金属模版放入电铸槽内进行电沉积，金属离子在模版 上裸露出衬底材料处沉积直至将其填满。然后将抗蚀剂腐蚀剥离，余下的电铸生成的金属 结构就是所需的微细部件。 问争辐射x 射绒 山 山粤山+ 山山山山 照舯= ! ! ! 竺竺= 。k 釜盎釜豳釜盎过”州m 、罄贬 撇题志匦蕊 电锛矗虿匿主叠蹩盈函一金埔 掊怕翻k 曼忐墨点 图1 1l i g a l z 流程示意幽 l i g a 技术的特点在于它能工业化，大规模生产，撮大限度的减低生产费用。它可以 制造出具有很大深宽比的微结构，对于微结构的设计几乎没有限制，若与牺牲层技术相结 合，可以制造真正的三维微结构。可加工多种材料如金属、陶瓷、玻璃、塑料以及这些材 料的结合物等，突破了硅加工对材料和深度的限制。缺点是所需深层x 射线辐射源，价格 极其昂贵，而且与i c i 艺不完全兼容，因而制造成本非常高，短时期内难以形成产业化。 - 5 - 浙江大学硕士论文 另外，l i g a 技术所需的适合塑铸的树脂材料，即使在l i g a 技术的发源地德国也未能很 好解决用于塑铸的树脂材料。 准l i g a 技术是改进的l i g a 技术，通常采用紫外光等相对价廉的光源来进行厚层光 刻，所使用的光刻胶也是市场上可以买到的，例女l l a z 4 0 0 0 系列光刻胶，这样就大幅度降 低了成本。这种技术技术采用两次涂胶的方法，可使胶层厚度达几十微米，这种技术的工 艺步骤与l i g a 技术基本相同，所得到的微结构的宽深比可达l ：7 ，分辨率在微米量级。 1 2 3 微细机械加工5 由于机械加工切削力的产生一般认为不适于微型机械的加工制作，微细机械加工与传 统机械加工有相同之处，但有很大区别。它以金属为加工对象，可制作毫米尺寸上下的微 机械零件。这项技术包括微铣削、微孔钻削、微成行及无心磨削等。他的特点是三维立体 加工，但是一般是单件加工、单件装配，费用较高。这种方法应用于微机械的制作需要解 决的难题是微小部件的组装。 1 2 4 特种微d t n - r 方法6 r7 特种微细加工方法是通过加工能量的直接作用，实现小至逐个分子或原子的切除加 工，如果说微细机械加工是利用机械能，特种加工则是利用电能、热能、光能、声能、化 学能等能量形式。常用的方法有：电火花加工、激光加工、电子束和离子束加工、超声波 加工等。 1 微细电火花加工 电火花加工利用在低电压和高电流密度的放电过程中。每一次脉冲放电造成材料微团 的去除和放电坑的产生，无数个相继产生的微小放电坑最后形成了所需要的最终形状和表 面状态。其特点是加工阻力极小，加工对象是会属等导电材料，主要用于加工微孔、槽、 窄缝，以及微电极、微冲头和定位销等微细轴类零件，加工孔径可达g m 级，加工厚度为 数m m ，加工精度为i g m ，可实现三维微细加工。缺点是不适合批量生产。 2 激光微细加工 激光是一种具有亮度高、方向性好和单色性好的相干光，经聚焦后形成直径为亚微米 级的光点，焦点处的功率密度可达到1 0 8 1 0 i w c m 2 ，温度高；i , 盘1 0 0 0 0 。c 以上，可在瞬问 浙江大学硕j ：论文 熔化和汽化各种材料。激光加工就是使材料局部加热，进行非接触加工，它适用于各种材 料的微细加工，主要应用有打孔、焊接、修整、光刻等。目前，激光微细加工的尺寸可达 亚微米级。用于微细加工的激光器主要有红宝石激光器、y a g 激光器、准分子激光器和 氩离子激光器等。 3 电子束和离子束微细加工 电子束加工是在真空条件下，利用聚焦形成的高密度电子束冲击零件表面、使材料局 部熔化和汽化来进行加工。这一技术可用于某些微细加工，如：打孔、切缝、刻蚀。在微 米量级微孔加工中，电子束可实现每秒数干孔甚至数万孔的高效加工。电子束也是一种重 要的光刻技术。离子束加工原理与电子束相似，也是束流经过加速、聚焦后冲击到材料表 面。不同之处在于离子的质量要比电子大几个数量级，因此离子束具有更大的动能，主要 是靠撞击效应来进行材料去除。在离子束加工中，其束流密度和离子能量可精确控制，所 以离子刻蚀可以达到纳米级的加工精度。离子束的加工效率很低，适合于微量去除的场合。 除了用于改变零件几何形状的目的外，离子束也用于表面性能增强，如离子镀膜和离子注 入，同时也是一种有效的光刻手段。 4 超声微细加工 超声微细加工的实质就是在超声波振动作用之下磨粒的机械冲击、抛磨等综合效应的 结果，其中以磨粒的连续冲击作用为主。超声微细加工主要用于各种硬脆材料、如石英、 玻璃、陶瓷、金刚石和硬质合金等加工，可加工出各种形状的型孔、型腔和成型表面。 超声微细加工的优点是，由于加工时刀具压力较小，所以工件表面的宏观切削力很小， 切削应力、切削热很小，不会引起变形及烧伤，加工精度较高，一般可达到o 0 2 一o 0 5 m m ， _ 表面粗糙度也较好，可达n 。0 1 6 帅。适用于加工薄壁、窄缝及低刚度等工件。缺点是生 产效率较低。 5 光成形法 光成形技术是由美国科学家首先提出来的一种无需掩膜，采用激光束或紫外光直接在 光固化树脂中制作微结构的微细加工技术。它是通过计算机将数字化的图形结构输出到光 束扫描控制系统中，再由光束扫描控制系统控制光束在光敏树脂中扫描出图形结构。光成 形法操作简单，便于控制，可实现大批量的生产。 浙江犬学坝十论文 1 2 5 基于扫描探针技术的纳米加工8 1 9 8 2 年，i b m 实验室的物理学家海因晕希勒罗雷尔( h , r o h r e r ) 和格尔德宾尼 ( g o b i n n i n g ) 发明了一种能够观察到单个原子的扫描隧道显微镜( s t m ，s c a n n i n g t u n n e l m i c r o s c o p e ) ，利用显微镜的电子纳米探针，就可以像在宏观世界中用针拨动米粒一样来 处理原子。以它为契机，已经和正在开发出很多的s t m 族类，如扫描原子力显微镜( a f m ) ， 它们都是利用纳米探针与被测工件的不同相互作用来探测物质表面或界面在纳米尺度上 表现出的特性，所以又统称为扫描探测显微镜( s p m ) 。s p m 的原理如图1 2 所示。s p m 是由微小的探针、x y z 驱动压电体( 扫描器) 、相互作用的检测系统( 传感器) 、控制 器、显示输出装置以及试样台构成，在这种构成中，靠扫描器的z 轴控制探针与试样间的 量子力学相互作用，x y 面内的每个象素所显示的就是s p m 像。它是一种基于量子隧道效 应的高分辨率显微镜，它可达到原子量级的分辨率。 昌幽 圈1 2s p m 原理幽 由于s p m 的针尖曲率半径小，且与样品之间的距离很近( l q 2 时，。、岛均为丁f ，则其方向与假设方向一致，即沿光线传播方向由入射 介质指向折射介质，：反之，当l q l i t ，) ，光出介质入射到透明粒子表面发生 反射和折射时产生的辐射压方向与光线传播方向相反，表现为粒子受到逆光线传播 方向的拉力；反之，当粒子折射率小于周围介质折射率时( m i t ，) ，辐射压方向沿 光线传播方向，表现为粒子受到沿光线传播方向的推力。 ( 3 ) 当光与反射率或吸收率为1 的介质表面相互作用时，产生与光线传播方向相同的辐 射压，表现为推力。 3 2 光镊的原理 从上面的讨论中可以看出光作用于物体时，将产生辐射压作用于物体上，既可以表现 为拉力也可表现为推力，力的作用方向总是垂直于介质分界面。为了阐明光镊的基本原理， 我们以透明介电体小球作模型来进一步讨论光与物体的相互作用。 3 2 1 光镊的产生 以透明介电体小球作模型来讨论光与物体的相互作用产生光阱。若小球直径远大于光 波长，可以采用几何光学近似。设小球的折射率1 7 2 大于周围媒质的折射率i l i 。 1 平行光与小球的相互作用 ( 1 ) 平行均匀光与小球的相互作用 如图3 2 所示，当一束光穿过小球时，光在进入和离丌球表面时产生折射( 实线表示) 和反射( 虚线表示) ，下面我们着重分析与光的折射相联系的施加在小球上的力。图中画 出了光束中有代表性的2 条光线a 和b 。入射光沿z 方向传播，即光的动量是沿z 方向的，然 而，离丌球的光传播方向有了改变，即光的动量有了改变如图3 2 ( b ) 所示。由于动量守 恒，这些光传递给小球一个与该动量改变等值，但方向相反的动量，与之相应的有力和f 浙江人学坝 。论文 6 施加在小球上。小球受到的光对它的总作用力就是光束中所有光线作用于小球的力之合 力。若入射光束截面上光强是均匀的，各小光束( 光线) 给予小球的力在横向( x y 方向) 将完全抵消，但有一沿z 方向的推力如图3 2 ( a ) 所示。 反射光 折射光 ( a ) 平行均匀光场( b ) 动量变化示意幽 图3 2 小球0 平行均匀光场相互作用 ( 2 ) 平行非均匀光与小球的相互作用 如果小球处在平行非均匀光场中，如图3 3 ， 光沿z 方向传播，光场自左向右增强。与左边的 光线a 相比，右边较强的光线b 作用于小球，使 小球获得较大的动量，从而产生较大的力f b ， 结果总的合力在横向不再平衡，小球被推向右 边光强处。总的合力是把小球推向右边略偏下 处。如果光束轴线处光强大，粒子将被推向光 轴，也即在横向粒子被捕获。小球在这样非均 匀( 即强度分柿存在梯度) 的光场中所得到的 指向光强较强处的力称之为梯度力。 2 强会聚光束与小球的相互作用 折射光 幽3 ，3小球与平行1 r 均匀 光场相互作州 上面的情形，都存在一个功向( 轴向或纵向) 的推力。要用束光同时实现横向和 轴向的捕获，还须要有拉力。实际上，上述光场力( 梯度力) 指向光场强度大处这一结论， 可以推广。到强会聚光束的情形。在强会聚的光场中，粒子将受到一指向光最强点( 焦点) 的梯度力。图3 4 用几何光学模型定性的说明了这一点。将激光通过高数值孔径显微物镜 形成强会聚光束，两条典型光线a 和b 穿过小球，轴外光线a 和b 具有一定的横向( x y ) 一2 9 一 商。 产。一 浙江人学颅i ：论文 动量和较小的纵向( z ) 动量。当光进入小球后，经过球对光的折射，出射光偏离入射光 的方向，改变了纵向动量。由于纺向的动量守恒，小球必产生相应的动量改变。依赖这 动量改变的方向，光线a 年1 b 施加力f 衍f 6 于小球，它们的矢量和指向焦点o 。光束中所 有光线施加在小球上的合力f 也是指向焦点0 的。图3 4 ( a ) 中给出处于焦点以外的粒子 动量变化的情况。当轴外光线( 例如图中的a ，b 光线) 穿过小球时被折射，其传播方向 趋向于更平行光轴，即增大了纵向动量。相应的，粒子获得了沿负z 方向的动量，即小球 受到的纵向力为拉力。对于处在焦点内的粒子，见图3 ，4 ( b ) 。类似的力的分析可以得到， 光通过小球折刺后，小球受到轴向力f 的作用，其方向与光束传播方向一致，趋于把小球 推向焦点。3 4 ( c ) 则表示了在轴外粒子所受到的力的作用。 b ( b ) 焦点内粒子受力 及其动苗变化示意幽 a a b ( c ) 轴外粒子受力 图3 4 单光束梯度力光阱原理 可见，强会聚光束对粒子不仅有推力还产生拉力，粒子就被约束在光焦点附近，这种 强会聚的单光束形成的梯度力光阱就是所谓的光镊。经验告诉我们，传统的机械镊子用来 铗持物体必须使镊尖接触到物体，然后施加一定的压力于物体，物体才会被钳住。之后， 或保持物体不动或对它进行翻转和迁移等操纵。而光镊则大不相同。它使物体整个受到光 - 3 0 - 浙江大学颂l 论义 的束缚达到“锚”的效果，然后通过移动光束来迁移或翻转物体。与机械镊子相比，光镊 是以一种温和的非机械接触的方式完成铗持和操纵物体的。光镊中有一。区域，物体一旦落 入这个区域就会自动移向光束几何中心，其现象犹如微粒被吸尘器吸入。吸入的粒子若没 有强有力的外界扰动，物体将不会偏离光学中心：由于各种外界作用或粒子自身运动等原 因，粒子偏离了光学中心也会很快恢复原位，所以光镊又酷似一个陷阱，我们称它为光阱。 3 2 2 定性分析粒子束缚条件 1 光场处于强会聚状态，且光场中微粒受到的梯度力大于散射力 实际上，当光穿过小球时。在小球表面会产生一定的反射，小球对光也有一定的吸收， 这都将施加一推力于小球，此力常称之为散射力( f s ) 。散射力的方向与光的传播方向一 致，它趋向于使小球沿光束传播方向运动，从而有可能使微粒逃逸出阱域；另一种是梯度 力，光场强度分布不均匀而产生的力，小球在焦点之外时，它指向光最亮点处，结果表现 为拉力，小球在焦点之内时，它指向光最亮点处，结果表现为推力。光镊主要靠光场梯度 力作用来实现稳定捕获微粒，粒子捕获条件为：光场处于强会聚状态，且光场中微粒受到 的梯度力大j 二散射力。这样的光束可以像镊子一样央持微粒，移动并操控微粒。 2 相对折射率大于一 相对折射率就是粒子折射率月，和周围介质折射率n 的比值，相对折射率大于一时， 粒子折射率大于周围介质折射率。从光镊产生的分析中可看出，如果粒子的折射率大于周 围介质的折射率，激光场作用于一个透明的物体，就能对其产生一指向光束焦点的梯度力， 一旦透明粒子落入光束焦点附近就会被“光镊”抓住，即捕获，而当粒子的折射率小于周 围介质的折射率时，激光束对小球作用力是背向焦点的，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，显然粒子将被踢出光场。 3 粒子对入射光线的透明度要高。 由本章第一节在对辐射压的推导中可知，只有当光线透过微粒时才能获得逆光向的 力，所以他是实现粒子束缚的必要条件。大多数生物体，包括细胞、细胞器以及寄生虫等， 对某一段或全部可见光谱都是透明的，因而能够获得光捕获。而对于透明度差的粒子不易 实现光捕获。 浙江大学硕j ：论文 3 3 计算机仿真模型 光镊已广泛应用于生物、物理、医学研究中，为了有效的应用这技术，很多科学家 丌始了对光镊中微粒子受力及运动状态的研究。科学家们多是以生物细胞作为研究对象， 而且球型物体具有高度对称性便于讨论，所以粒子模型多为球型粒子。如a s h k i n 利用波 动光学和几何光学分别对光阱中瑞利粒子”( d 九) 受力情况仅作 了定量分析。r o o s e n 将激光等效成平面波，计算米氏微球所受的合力5 6 。w i l l i a n h w r i g h t 考虑了激光束特性，利用s k e w r a y ( 不交轴光线追迹) 理论定量分析米氏微 球的受力情况5 7 。韩正甫论证了米氏微球单束光阱存在的条件3 6 。以上研究均是以规则球 型粒子作为研究对象，随着“光镊”技术应用领域的不断扩大，在精密测量及微细加工中， 以任意不规则米氏粒子作为操纵对象，分析其在光镊中的受力就成为急待解决的问题，掘 我们所知国内还未有相关报道。在本节中利用辐射压产生及光线追迹原理建立数学模型， 将光束和微粒子离散化，采用数值分析的方法实现光阱中任意形状米氏粒子受力的计算机 仿真。 山于作为微加工工具几个微米的高强度粒子( 如会刚石、碳化硅、石英等) ，其粒子 尺寸远大于激光波长，可忽略衍射效应采用几何光学理论对其受力进行分析。假定光源为 睢色、自然偏振的t e m 0 0 高斯光束；粒子为理想透明粒子；周围介质均匀。 3 3 1 高斯光束特性 激光捕捉微粒子技术是建立在光的辐射压( 简称光压) 原理的基础之上的。如前所述， 光压的概念的提出源于n e w t o n 时代，然而，它的实际应用却是在激光诞生以后才得以实 现的。激光与不同光的区别，不仅表现在其高亮度、良好的方向性、单色性和相干性上， 还表现在其传输特性与透镜变换规律上，了解其特征和规律对光镊的形成原理，辐射压的 计算和实验研究等都具有十分重要的意义。为了能够在物平面形成强聚焦，采用基模高斯 激光束。下面仅对基模高斯光束的相关内容进行讨论。 6 3 - 3 1 j 光束的传播特性5 8 5 9 沿z 轴方向传播基模高斯光束的波动方程为 川= 高e x p _ 毛蔷】e x 删拓+ 丽k ( x z + y 2 h ) 】 ( 3 3 3 ) 浙江人学颀t 论文 式中：k 表示波数 r ( z ) 表示离束腰：处的高斯光束等相面的曲率半径 她心 1 + ( 列 c a ( z ) 表示离束腰z 处的光斑半径： 嘶m 。 1 + ( 剡“2 c o 。为束腰，即当z = 0 时的光斑半径。 妒( z ) 表示附加位相： ( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) p ( z ) ：胛噌( 笔) ( 3 3 6 ) ，l o 基模高斯光束的性质包括场分布及传输特点，主要出月( z ) 、c o ( z ) 、p ( z ) 这三个参数 决定。 1 ，光束截面内的光强分布 在我们研究普通光束的传输时，我们都可以假定物体所发出的光束波面上各点的振幅 相同，但激光束波面上各点的振幅是不同的。如用a ( 工卫z ) 来表示某点的振幅，则由式 ( 3 3 3 ) 得： 舢埘= 雨c o o 唧卜专著， e 3 。那， 该式表明，基模高斯光束振幅的变化对于x 轴和y 轴是对称的。如采用柱坐标， p 2 = * 2 + y 2 ，贝4 式( 33 7 ) 变为 伽，z ) = 鑫e x 小而p 2 】 ( 3 3 8 ) 式中p 是光束截面半径，式( 3 3 8 ) 酷明在任意一个确定的截面上( z 为常数) ，振 幅的横向分布是高斯型的，如图3 5 示，在中心振幅晟大，记作a 。离丌中心，振幅迅速 下降，直到光束边缘振幅下降又变的十分缓慢，一直延伸到无限远。因此整个光束不存在 一个鲜明的光束边界，也就没有一个确定的光束半径。一般规定当振幅减小到极大值的 浙江大学烦t 论立 1 e ( 即生) 时对应的光束截面半径作为激光束的名义光束截面