研究生毕业论文开题报告.doc

重 庆 邮 电 大 学研 究 生 论 文 光栅光纤 开 题 报 告 学 号 S120431012 姓 名 刘 聪 学位级别 硕 士 专 业 集成电路工程 研究方向 光电传感器件与系统 单 位 重庆邮电大学 导师姓名 刘 宇 填表日期 2014 年 6 月 论文题目光辐射力实现机械振动的机理及在哥氏振动陀螺中的应用论文工作计划包文括字：总文结献等阅工读作、的课进题度调计查划、实此验栏方由法研、究理生论填分写析、1、 选题背景光波作为电磁波的一种，不仅携带能量，而且携带动量。因此，光与物质相互作用中包含着能量和动量的传递。一般常见的激光应用大多利用了光与物质间的能量传递，而光操纵技术、光捕获技术等则是利用了光与物质微粒间的动量传递。这种传递过程，表示着光波对微粒有力的作用，即光辐射力(Radiation Force)。1873年麦克斯韦首先在理论上证明了光束与物质相互作用本身可以产生光作用力，即光辐射力1。但这仅仅是从电磁学理论进行证明，因为毫瓦量级功率的光束产生的光辐射力仅有皮牛量级，以当时的实验条件还无法测得皮牛量级的辐射力。随着实验条件的不断更新发展，直至20世纪，科学小组从实验角度首次测得光辐射压力。1901年，俄国物理学家列别捷夫设计实验成功测得光学辐射压力。此次实验的成果为今后学者研究光辐射力提供了实验基础。1909年，德拜提出了线偏振电磁波作用于均匀球形粒子的辐射压力理论，虽受限于当时的实验条件，但该理论的提出为日后利用光学作用力操控微粒，即光镊技术的产生提供了重要依据。20世纪60年代，激光的出现使光镊技术的实现成为可能。1970年美国Bell实验室的Ashkin利用两束相对传播的激光光束的辐射力成功实现对乳胶颗粒的捕获，首次实现了对球形粒子的二维囚禁，展示了光学辐射力对粒子的捕获和加速2。1986年，Ashkin等人实现了对微观粒子的三维捕捉，其实验系统搭建简单，仅仅利用了一个高数值孔径的物镜，瞬时提高了单束激光束高度聚焦后形成三维光学势阱3，此种可操控的微粒大小已达到微米量级，甚至只有十几个微米，且Ashkin等人还证明了利用光辐射力形成的光学势阱可以无损伤地操纵活体细胞。这种实现对粒子的三维操控系统便是光镊，这个实验的成果标志了世界上第一个单光束光镊(Optical tweezers)的出现。光镊的发明使人类对微观世界的认识活动从被动观察变为主动操控。此后，伴随着研究的进一步扩展，光学作用力从飞牛(10-15N)到皮牛(10-12N)的大小变化和其从几十纳米到几百微米的作用范围使其能够方便地应用到微观系统，光镊技术受到了更多学者的瞩目，并取得了突飞猛进的发展。不仅局限于物理研究中，在现代科学的其他领域中，也占据着重要优势。如在原子物理研究中，可帮助研究人员捕获和排列原子，同时还可将原子冷却；在生物医学领域，由于光镊捕获微粒可减少对微粒的物理损伤，可用来研究活体细胞和生物大分子个体行为，甚至实现细胞融合，基因切割和转录。光学作用力已经在自然科学和工程技术等众多领域成为重要工具4-6。除此之外，光辐射力还在航天飞行器中有着重大进展。研究人员在太阳帆中加入了光学加速设备，通过光子连续撞击太阳帆7获得加速和转向；阳光动力火箭也是将太阳光聚集到航天器上，利用光学作用力产生推力，使航天器加速飞行、修正航行轨道偏移量等。这种无污染的绿色能源正是科学家们持续关注和不断加以利用的焦点。研究人员给出了描述光辐射力的多种理论，如适用于大颗粒（粒径大于波长10倍）的几何光学理论8和适用于小颗粒（粒径小于波长10倍）的电偶极子近似模型9。基于Mie散射理论的光辐射模型适用于大颗粒及小颗粒，但只能解决球形颗粒的情况。对于非球形颗粒，相应的理论模型有T-矩阵模型、分离偶极子模型和有限差时域方法10-12等。对于光辐射力的研究不仅可为现有生物医学领域给予技术支持，更可在光学其他领域如精密测量、精密加工、信息处理等新兴领域实现技术融合和技术创新。甚至可根据非接触精密操作技术、非接触能量供给技术的要求，在微机械等领域利用光可实现非接触控制，从而完全可作为微机械的新动力源得以发展。2、 研究现状 基于光镊的光学操作Ashkin率先使用波长为514.5nm的连续激光对直径为2.68的微球进行了操控2，实验证实，单束激光被透镜聚焦后可以将颗粒加速，而将相同的两束激光同时通过透镜聚焦后相向传播，可以将颗粒稳定捕获。Ashkin认为，颗粒在光束附近时，会受到光对它产生的力的作用，这个力的一个分量是指向光强的方向，被称为梯度力；而另一个分量是沿着光传播的方向，称为散射力。因此，适当改变光束的聚焦情况，使这两个力的大小发生改变，就可以实现对颗粒的加速、捕获和分离等。后来，Ashkin及其合作者使用这种方法对单个介质颗粒3、原子13、病毒和细菌14-16等进行了捕获和操控。他们将这种使用高数值孔径物镜对激光进行聚焦后捕获物体的方法叫做“光镊”，其原理如图1所示6。图1 光镊原理示意图。聚焦光束在焦点处产生一个大的光梯度力，能将颗粒捕获到焦点处Ashkin及其合作者在光镊上的开创性工作为光捕获和操控技术的发展起到了里程碑的作用。他们还将这种基于光镊的捕获和操控应用到不同种类的微小物体上8，包括原子、分子、亚微米颗粒、宏观颗粒，甚至活体细胞和组织等。光镊对这些物体进行操控时，不会造成明显的物理损伤17。光镊的这种无损伤、非接触性操控的性质使其在生物大分子的研究上具有重要的价值。人们已能够利用光镊对生物大分子进行操控，并且能够利用这种操控研究分子之间的作用，例如DNA的自我复制和转录等18。由于大小不同或折射率不同的颗粒受到的光梯度力大小不同，光镊捕获这些颗粒的能力也就不同，因而，光镊还可以对不同特性的颗粒进行分类，排列成特定结构和形状19。此外，在光镊系统中将光学涡流光束进行耦合，还可以实现对微颗粒的旋转操控20。 基于倏逝波的光学操作由于光镊需要用一个高数值孔径的透镜来对光束进行聚焦，这使得光梯度力的作用区域比较有限，当光传播到较远的地方时，光力迅速减弱，将不能对颗粒起作用。而利用介质界面处倏逝波则能够克服这一不足。倏逝波本身就呈现较强的梯度，因此倏逝波也能够对颗粒产生力的作用。使用倏逝波对颗粒进行操控最开始是由Kawata等21提出的，他们使用在棱镜表面存在的激光倏逝波，使得颗粒能够在倏逝波的作用下沿着光传播的方向运动。自使用倏逝波实现对颗粒进行操控后，一些基于平面波导22-23的器件也被用来对颗粒进行捕获和操控。颗粒能够被倏逝波产生的梯度力捕获到波导表面，进一步被作用在其上的散射力推动并沿着波导表面传输。利用这种方法可以对介质颗粒、生物细胞和金属颗粒23等进行捕获和操控。由于倏逝波存在于器件表面，要实现对小尺寸颗粒的捕获与操控，也将面临着克服颗粒布朗运动的难题。由于金属与介质接触的表面能够产生表面等离激元波，使倏逝波得到增强，从而得到更大的光力，因而使用金属波导能够有效地操控颗粒24。此外，环形波导能够起到一个谐振的作用，使得颗粒能够更好地限制在环上，并以较高的速度沿环形波导运动25。除了加强表面光场来更加有效地操控颗粒外，限制倏逝场的作用范围也是一种有效的方法。例如，Yang等26通过一个宽度为100nm的硅基狭缝波导（图2(a)），有效限制倏逝场的作用范围，使狭缝中间形成了很强的倏逝场。将波长为1.55的红外激光导入狭缝波导后，直径为75nm的聚苯乙烯纳米颗粒随着水流运动到狭缝附近时能够被狭缝捕获进而沿狭缝传输（图2(b)）。激光关掉后，颗粒将被释放并随流体一起运动（图2(c)、(d)）。进一步的研究表明，这种狭缝波导还能够成功地捕获DNA。图2 使用亚波长狭缝波导对颗粒进行操控。(a)宽度为100nm的狭缝波导的扫描电镜图像；(b)激光打开，颗粒被捕获；(c)激光关闭，捕获的颗粒被释放；(d)释放的颗粒被流体带走。 基于梯度力的谐振器耦合2006年Notomi27提出将两个平面光子晶体腔进行耦合的方案（如图3(a)所示）。实验表明，该结构极大地增强了腔体间的相对场重叠，通过该结构的光机械耦合常数显示其微位移可达到100nm。2007年Rakich28提出将两个环形腔进行垂直耦合的方案。文章指出，该结构可通过共振形成光学势能，当两环间距减小，则两环可实现边界和反边界模式交叉。当通过单泵浦光产生势能时，两个安置在一起的完全相同的光学谐振器可同时产生边界和反边界模式。两个腔体之间的耦合越强，其相对的本征频率越远，两者会相互“推开”对方，两者之间产生的关联作用力会增强。因此，两腔间的耦合依赖于腔的间距，同时也依赖于所设计的特殊结构。 (a) (b)图3 光学梯度力作用于集成波导-耦合谐振器结构。(a)平面光子晶体腔耦合；(b)双环垂直耦合。基于梯度力的谐振耦合器往往存在于两个谐振器的“点接触”之间。然而在垂直耦合腔谐振器结构29-30（如图3(b)）中，两腔间的重叠区域扩展到整个腔体，则可形成一个较大的光机械耦合因数。该碟盘型垂直耦合结构已经被Rosenberg29和Wiederhecher30实验证实用以波长选路。Rosenberg使用400nm厚，54um直径的二氧化硅碟盘，两盘间距150nm，光机常数106。相应的，Wiederhecher使用190nm厚，30um直径的氮化硅碟盘，两盘间隔1050nm，光机常数8*104。在这两组研究中，环辐条置于碟盘中心，以减少机械结构硬度（1-10N/m）31。结果显示，两种情况静态测量偏差（-10nm）。该结构的光学机械耦合常数为=31GHz/nm。3、 研究目的及意义陀螺是用于检测物体转动角速率的惯性器件，微陀螺是一种陀螺技术和MEMS技术相结合的，测量角度或角速率的惯性传感器。未来微陀螺的发展趋势应该为：减小体积、降低成本、提高精度、简化结构与封装和拓展应用范围。采用新原理和新材料制作的，并同时具备这些优点的陀螺技术无疑具有相当重要的学术研究价值，并将得到前所未有的重视和发展。传统哥氏振动陀螺灵敏度普遍偏低的根本原因是受限于原理性电磁噪声。这种传统器件必须具有理想的谐振频率点，而要获得理想的谐振频率点则需要在封装过程中对结构参数进行非常准确的调整，这一过程往往又受限于加工精度。同时，为了在这种环境中获得好的敏感性能，传感器的机械品质因数也需要设计得非常大，这就加大了机械驱动和检测频率匹配的结构设计难度，另外，增大品质因数会减少测量带宽，相应也会减少传感器的动态测量范围。目前国内外科研工作者在哥氏振动微陀螺中的主要研究内容就集中在优化和平衡上述设计中的矛盾。虽然经过努力，该类微陀螺精度指标不断得到改善，但始终没有完全突破速率级应用水平。基于上述技术背景不难得出，若在哥氏振动微陀螺的驱动环节引入新的符合上述微陀螺发展趋势的新技术，将有可能消除其固有缺点，从而使传统器件在主要惯性技术指标改善上获得突破，导致传感器性能的跨越式提升和应用领域的极大扩展。而目前，科学界在光致机械振动方面的研究进展为这种设想提供了理论基础。在光致机械振动技术领域，已有报道提出一种具有高能量的光束进行光激励机械振动技术。利用强聚焦的单激光束焦点附近的强梯度光场来实现对微小物体的捕获、移动乃至驱动是一种可以实现的技术。由于这种技术对所操作对象是非接触式的无损操作，同时作用力在皮牛量级，因此已被广泛应用在生物医学、化学分析和应用物理等微观研究领域。近年来随着MEMS技术的不断发展，国外开始出现用这种技术来驱动微型机械的实验研究。目前，光学驱动机械振动技术在我国尚处于初步研究的阶段，更未系统针对陀螺，特别是针对具有低成本、小体积和便于封装优势的哥氏振动微陀螺。基于上述研究背景和技术发展趋势，本选题针对微机械陀螺技术和光致振动技术进行学科交叉技术研究。综合上述分析，光学作用力经过近十年的发展已从理论至相关实验快速发展。为此，通过对中外科研者就光学作用力研究现状分析，结合团队在惯性角速率传感器领域的现有研究基础，本选题“光辐射力实现机械振动的原理及在哥氏振动陀螺中的应用”的主要研究目标为：光辐射力实现机械振动的原理；哥式振动陀螺的驱动原理；光辐射力在哥氏振动陀螺中的应用三个方面。本选题研究意义在于：与基于Sagnac效应的光学陀螺有所不同，不受Sagnac效应的原理性限制，可进一步实现微陀螺小体积的设计优势，便于批量生产和降低成本；与现有MEMS机械陀螺有所区别，因采用光学方式进行机械振动，可减少电磁干扰，克服现有MEMS机械陀螺原理性噪声，并实现无机械谐振频率点的要求，提高信号带宽；采用光致机械振动方式，可在陀螺噪声特性上进行明显优化，获得良好的角速率灵敏度特性。4、 理论分析光波对微粒的作用力从效果上可分为两类，一类是反射和吸收施加于微粒的散射力(Fsca)，散射力总是沿光纤传播的方向作用微粒；另一类是由光强在空间分布不均匀造成的梯度力(Fgrad)。非吸收颗粒在迅衰场中受到的光辐射力也是梯度力和散射力共同作用的结果。在垂直分界面方向，颗粒受到的辐射力是梯度力；在平行分解面方向，颗粒受到的辐射力。 光梯度力分子的每一个化学键都可看做一个等效的电偶极子，用一个等效的电偶极矩描述。分子中所有化学键的电偶极矩之和构成整个分子的电偶极矩P。任何一个电介质微粒都由大量分子组成，是大量分子的电偶极矩组成的集体。因此可以认为：光与电介质微粒的相互作用表现为电磁场与电偶极矩的作用。当颗粒远小于波长时，电介质微粒可近似看做一个电偶极子。场强分布不均匀时，电偶极子受到梯度力作用，即电偶极子所受电场梯度力和电偶极子在磁场中受到的磁力之和 (1)电介质小球的电偶极矩用极化率可以表示为，根据矢量恒等式和Maxwell方程则式(1)可表示为 (2)稳态情况下式(2)中时间导数项为零，则浸没在介质中的电介质小球受到的光梯度力 (3)对于非吸收性颗粒球，极化率，因此所受到的光梯度力为 (4)式中，n为颗粒球和周围介质的折射率之比。将迅衰场中电磁场表达式代入式(4)，得到光梯度力 (5) 光散射力 任意光束都可以看成大量光子的集合，光子具有动量，当光子和非吸收的颗粒发生碰撞时会给颗粒施加一个作用力即光散射力。根据动量定理，作用在非吸收性颗粒球上的散射力Fs可以表示为 (6) (7)式中，为颗粒的辐射压横截面；为电场传播方向。对于半径原小于波长的非吸收性球形颗粒，存在 (8) 将迅衰场电磁场表达式和式(8)代入式(6)，得到散射力 (9) 梯度力和散射力相对大小及影响因素在严格的Mie散射理论中，难以比较梯度力和散射力的相对大小。然而，根据电偶极子近似模型可以得出Fg和Fs的相对大小 (10)由、和决定。式(10)显示，和的比值与无关，即与颗粒在衰减场中所处位置无关。经过计算半径为10，100和200nm的颗粒，结果显示在入射场确定的情况下，改变会引起和同时变化，但和的相对大小保持不变。和比值随颗粒粒径的变化规律如图4所示。图4 梯度力与散射力比值随颗粒粒径的变化规律和的相对大小取决于，和。由式(10)可知，越大、越小、越接近1则和的相对值越大。由图4给出的不同颗粒半径对应的曲线可以看出，随着增大，和比值逐渐减小。式(10)及图4可说明，一般大于。当颗粒位于透射深度范围内时，是一个接近于1的数，相对折射率因子总大于1，故和的相对大小由确定。对于可见光(或红外光)照射下的纳米级颗粒来说，存在。因此，在一般情况下会比大，甚至可达几个数量级。图4还显示，颗粒半径与波长之比时，电偶极子近似模型与严格Mie理论给出几乎一致的结论。随着颗粒增大，两者偏差越来越大这说明电偶极子近似模型适用于的范围。以上规律由电偶极子近似模型分析得到。尽管如此，从数值计算结果看，严格的Mie散射模型呈现同样的趋势。5、 主要研究内容本选题研究主要采取模型理论分析、软件仿真优化相结合的方式进行。 研究内容（1） 结合国内外文献阅读分析，针对光辐射力无接触等作用特征进行研究分析，形成并完善光辐射力针对机械结构的作用机理研究。（2） 选定适合光辐射力实现机械振动的哥氏微陀螺结构进行设计，并对其进行模型分析；针对已设计模型进行仿真优化，理论推导模型所需尺寸、结构谐振频率。（3） 针对光辐射力与所设计微陀螺结构进行力学作用原理研究，进一步实现模型的参数优化。图5 模型设计及软件仿真方案图 软件仿真（1）模型的设计与建立。依据国内外研究现状，针对作用力特点设计并建立单端固定悬臂梁振动模型，就光学辐射力实现机械振动可行性进行评估。（2）模型优化。在模型建立的基础上进一步研究所产生机械振动作为驱动源应用与哥氏振动陀螺的可能方案，并进一步完善模型设计。具体方式为在原有单端固定悬臂梁振动模型的基础上实现模型组合，以适应哥式陀螺设计方案；针对组合模型进行结构参数优化，以完善模型并更优地实现光学振动与哥式陀螺相结合的结构设计；通过数据分析形成悬臂梁微位移与光学作用力间的变化关系，可进一步针对模型振动控制进行研究。 重点难点分析重点：模型的设计与建立；模型的理论分析；ANSYS软件仿真与优化（尺寸参数）。难点：模型优化。对首次建立的模型，在理论上可预测模型振动特性，但数学模型简化了实际模型，对模型尺寸的设计必然存在误差，如何进一步优化模型成为选题的难点。研究中将结合ANSYS仿真软件进一步优化模型。 (a) (b)图6 悬臂梁模型设计ANSYS仿真图。(a)悬臂梁网格划分示意图；(b)悬臂梁沿Y轴受力振动模态。 (a) (b)图7 陀螺结构模型设计ANSYS仿真图。(a)陀螺结构网格划分示意图；(b)驱动臂位移云图。6、 工作进度安排2014年3月至2014年4月 研究对比国内外光辐射力相关研究，进行作用力特征及针对机械振动的作用机理研究。2014年5月至2014年6月 研究分析所设计的悬臂梁模型，主要以动力学振动方程为基础，考查其在光辐射力激励下的振动特性。2014年7月至2014年8月 研究所提出悬臂梁模型参数，主要研究尺寸、宽带对振动特性的影响。利用ANSYS软件对模型进行仿真，优化设计参数。2014年9月至2014年10月 研究悬臂梁组合模型并进行参数优化，完善模型设计。2014年11月至2014年12月 整理数据并分析，研究悬臂梁微位移与光学作用力间的变化关系。2015年1月至2015年2月 整理分析数据，可进一步针对模型振动控制进行研究。2015年3月至2015年4月 整理已经完成的工作成果，完成论文写作。2015年5月至2015年6月 准备学位论文答辩。7、 参考文献1 Svoboda K, Block S M. Biological applications of optical forcesJ. Annual review of biophysics and biomolecular structure, 1994, 23(1): 247-285.2 Ashkin A. Acceleration and trapping of particles by radiation pressureJ. Physical review letters, 1970, 24(4): 156-159.3 Ashkin A, Dziedzic J M, Bjorkholm J E, et al. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particlesJ. Optics letters, 1986, 11(5): 288-290.4 Ashkin A. History of optical trapping and manipulation of small-neutral particle, atoms, and moleculesJ. Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal of, 2000, 6(6): 841-856.5 Grier D G. A revolution in optical manipulationJ. Nature, 2003, 424(6950): 810-816.6 Dholakia K, Reece P. Optical micromanipulation takes holdJ. Nano today, 2006, 1(1): 18-27.7 周朴，侯静，刘泽金，等.光子推进及其可行性分析J.红外与激光工程, 2007, 36(6): 805.8 Ashkin A. Forces of a single-beam gradient laser trap on a dielectric sphere in the ray optics regimeJ. Biophysical journal, 1992, 61(2): 569-582.9 Harada Y, Asakura T. Radiation forces on a dielectric sphere in the Rayleigh scattering regimeJ. Optics Communications, 1996, 124(5): 529-541.10 Mishchenko M I, Travis L D, Mackowski D W. T-matrix computations of light scattering by nonspherical particles: A reviewJ. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 1996, 55(5): 535-575.11 Chaumet P C, Nieto-Vesperinas M. Coupled dipole method determination of the electromagnetic force on a particle over a flat dielectric substrateJ. Physical Review B, 2000, 61(20): 14119.12 Jia L, Thomas E L. Radiation forces on dielectric and absorbing particles studied via the finite-difference time-domain methodJ. JOSA B, 2009, 26(10): 1882-1891.13 Chu S, Bjorkholm J E, Ashkin A, et al. Experimental observation of optically trapped atomsJ. Physical Review Letters, 1986, 57(3): 314.14 Ashkin A, Dziedzic J M. Optical trapping and manipulation of viruses and bacteriaJ. Science, 1987, 235(4795): 1517-1520.15 Ashkin A, Dziedzic J M, Yamane T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beamsJ. Nature, 1987, 330(6150): 769-771.16 Ashkin A, Dziedzic J M. Internal cell manipulation using infrared laser trapsJ. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1989, 86(20): 7914-7918.17 Ashkin A. Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasersJ. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1997, 94(10): 4853-4860.18 Wang M D, Yin H, Landick R, et al. Stretching DNA with optical tweezersJ. Biophysical journal, 1997, 72(3): 1335-1346.19 Guffey M J, Scherer N F. All-optical patterning of Au nanoparticles on surfaces using optical trapsJ. Nano letters, 2010, 10(11): 4302-4308.20 Tao S, Yuan X C, Lin J, et al. Fractional optical vortex beam induced rotation of particlesJ. Optics express, 2005, 13(20): 7726-7731.21 Kawata S, Sugiura T. Movement of micrometer-sized particles in the evanescent field of a laser beamJ. Optics letters, 1992, 17(11): 772-774.22 Yang A H J, Erickson D. Stability analysis of optofluidic transport on solid-core waveguiding structuresJ. Nanotechnology, 2008, 19(4): 045704.23 Gaugiran S, Gtin S, Fedeli J M, et al. Polarization and particle size dependence of radiative forces on small metallic particles in evanescent optical fields. Evidences for either repulsive or attractive gradient forcesJ. Optics express, 2007, 15(13): 8146-8156.24 Wang K, Schonbrun E, Crozier K B. Propulsion of gold nanoparticles with surface plasmon polaritons: evidence of enhanced optical force from near-field coupling between gold particle and gold filmJ. Nano letters, 2009, 9(7): 2623-2629.25 Lin S, Schonbrun E, Crozier K. Optical manipulation with planar silicon microring resonatorsJ. Nano letters, 2010, 10(7): 2408-2411.26 Yang A H J, Moore S D, Schmidt B S, et al. Optical manipulation of nanoparticles and biomolecules in sub-wavelength slot waveguidesJ. Nature, 2009, 457(7225): 71-75.27 Notomi M, Taniyama H, Mitsugi S, et al. Optomechanical wavelength and energy conversion in high-Q double-layer cavities of photonic crystal slabsJ. Physical review letters, 2006, 97(2): 023903.28 Rakich