【摘 要】
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在微操控领域,光镊是一种比较成熟的工具,其用途是在微观世界里捕获及操控微小的粒子,它是利用光辐射压力和单光束梯度力光阱作用于微粒表面时会产生力的作用,从而起到限制被作用的微粒空间位置的作用,因而具有亚接触性、无创伤性、靶向性等优点,光镊的发明极大的推动了原子物理,分散体系等领域的发展,尤其是生命科学中对微生物、细胞器、DNA等微粒的研究。在光镊技术的多元化发展中,全息光镊技术是其中最重要的发展方向
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在微操控领域,光镊是一种比较成熟的工具,其用途是在微观世界里捕获及操控微小的粒子,它是利用光辐射压力和单光束梯度力光阱作用于微粒表面时会产生力的作用,从而起到限制被作用的微粒空间位置的作用,因而具有亚接触性、无创伤性、靶向性等优点,光镊的发明极大的推动了原子物理,分散体系等领域的发展,尤其是生命科学中对微生物、细胞器、DNA等微粒的研究。在光镊技术的多元化发展中,全息光镊技术是其中最重要的发展方向。空间光调制器（SLM）能对激光进行调制,通过调制入射光在空间分布上的振幅、相位、偏振等属性从而改变出射光的光场分布。全息光镊的一个特点是可以产生阵列光镊或动态光镊,从而可以随意操纵多个粒子的运动,这使得光镊的使用价值进一步的提高。本文工作内容如下:1.基于矢量瑞利-索末菲（VRS）衍射理论,我们设计了一种多边形相位波带片,并研究了其聚焦特性。提出了一种在4Pi聚焦系统中使用不同的多边形相位波带片和不同的偏振光产生特殊聚焦光斑的方法,设计了由不同多边形同心环带组成的相位波带片（圆形、六边形、八边形的相位波带片）,对不同偏振的光（线偏振光、径向偏振光、角向偏振光）入射到所设计的不同形状的多边形相位波带片产生的聚焦光斑进行了数值模拟计算。通过数值模拟发现这种多边形相位波带片可以改变聚焦光斑的形状,并且聚焦光斑的周围还存多个焦点旁瓣的情况。进一步研究发现,在4Pi聚焦系统中可以产生“甜甜圈”状、六边空心“螺母”状、“葫芦”状等特殊形状的三维聚焦光斑。本研究结果有助于增强对矢量聚焦光斑的理解,以及在光学微操控、激光加工、超分辨成像、数据的高密度存储等领域有着潜在的应用价值。2.根据达曼编码方法和阵列相位调制,我们设计了一种三维阵列光镊系统。通过这套系统能够实现对多个小球的三维捕获。理论模拟和实验结果表明,将连续相位的二维达曼编码光栅与达曼波带片结合在高NA透镜的聚焦场处产生了三维达曼阵列光斑。将这种三维阵列光斑应用于自行搭建的光镊实验系统中,可以实现对二氧化硅微球的3×3×3三维阵列捕获以及5×5二维阵列捕获。3.基于复振幅编码的多焦点的产生及其在粒子输运中的实验研究。基于复振幅编码产生动态多焦点光镊,首先模拟多个粒子的运动路线,粒子运动的每个位置都有着对应的相位图,通过软件将多幅相位图连续加载到SLM中,就可以对多焦点阵列光斑进行动态的操控。在显示器视野中选取没有杂质微粒干扰的样品位置,通过对位移台微调实现了对聚苯乙烯微球的动态光学捕获和操控。
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