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纳米光镊系统的研制及微小力学量的测量

作　者: 龚錾
导　师: 楼立人；李银妹
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 光学
关键词: 光镊刚度带宽纵向位移
分类号: O439
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

从光镊问世至今已有二十年，它已从最初单纯的捕获操控微粒的装置，发展成了今天集高精度操控和微小力学参数测量于一体的实验系统，已经成为生物学，纳米科学和分散体系等涉及微小粒子的领域的一种理想研究手段。随着这些领域的发展，人们对光镊系统和相关实验方法与技术不断提出新的要求。本研究就是以满足这种日益增长的需求为目标来展开的，包括设计研制一套全新的多功能光镊实验平台——纳米光镊系统，探索更高精度更高效率的实验方法。论文特别着重于对关键的光镊测量技术的分析研究，建立了相匹配的测量系统，并对目前常用的测量方法所存在的问题进行了细致的讨论和探究，以期为完善和发展新的实验方法提供有用的基础。光镊实验系统是利用光镊技术进行实验研究的基础，我们的工作的第一步就是设计研制全新的光镊实验系统。基于对自身研究方向对实验系统的要求，确定了设计的基本考虑和目标。一是要有多个可独立操控的光镊，二是系统应有高的操控精度和测量精度，以适应微小粒子运动学、动力学过程和粒子间相互作用的研究。通过调研国际上已有实验装置的经验，我们选择了三光镊的方案，并针对不同操控维度的具体条件，设计了主动操控和被动操控两种操控模式。在满足纳米精度的操控要求下，选择了不同精度的操控驱动方案(压电驱动和步进电机驱动)，来完成不同维度的操控，既可以实现几个光镊同时对样品进行纳米精度的操控，又可以保证对样品具有较大的操控范围，同时也降低了装置构建的费用。为了使系统兼有高的空间分辨率和时间分辨率，装置中配置了二套探测系统：CCD图像探测系统和四象限光电探测系统(QD)，引进或提出了一些针对不同实验条件的实验方法，诸如CCD图像相关运算分析法和四象限探测器系统结合背散射光照明方法，并开发了相关的数据分析软件。论文还讨论了光阱刚度标定问题，分析比较了不同方法的精度和特点，在此基础上为系统配置了合用的标定方法。实际应用表明，所建立的纳米光镊系统的位置定位精度和探测精度已经达到了亚纳米量级，微小力的测量精度达到了亚皮牛量级，满足了微小粒子个体行为研究的需求。在微小粒子个体行为的研究中常需要测量粒子运动过程中的微小力学量，比如位移和力等物理量等。这时测量精度具有头等重要的意义。论文着重研究了微粒位置和微小力的测量方法，特别是微粒位置的精确测量问题，它不仅是运动学的基本物理量，也是光阱刚度标定的基础。论文围绕这一中心问题，重点研究了采集系统带宽和刚度标定实验中样品的纵向偏移这两个参数对实验测量带来的影响。由于样品在液体环境中所做布朗运动的频率很高，而任何采集系统的带宽都是有限的，都要比布朗运动的带宽低几个量级，因此使用这些采集系统都会损失一定的高频信号，对应在光镊系统中就会导致实验中所测量到的位移具有较大的误差。通过使用Monte-Carlo数值模拟方法，我们从时域的角度研究了不同的实验条件下，采集系统曝光时间的有限长度(或带宽不足)给位置测量和使用热运动分析法进行刚度标定带来的影响。从这一视角进行的分析是对传统的频域分析的补充。通过对数值模拟结果的分析，我们讨论了带来误差的原因，以及使用热运动分析法来标定刚度时所需要的带宽。影响光镊测力精度的重要因素是其刚度标定。在文献中很早就报道过这样的一个现象：当光阱中的粒子受到横向外力(通常为粘滞力)作用时，不仅在横向上会偏离光阱中心，而且在纵向上也会出现一个偏移。但是一直以来，很少有人对这个现象及可能给实验研究带来的影响进行系统的研究。我们首先从实验上测量了光阱捕获的粒子在横向外力下的纵向偏移量与横向偏移量之间的关系。实验结果表明：样品受到横向力作用时，新的平衡位置并不是与光阱中心处在同一水平面，其纵向位置随着横向位移增加而升高。我们进而使用几何光学模型分析光阱中微粒受到的光阱力的分布，由此计算了微粒的纵向平衡位置轨迹，计算结果与实验测量的结果一致。由于这个现象与使用流体力学法进行横向力测量的前提假设相矛盾，因此必然会给测量结果带来误差。然而，分析也表明，在使用流体力学法标定光阱横向刚度时，只要保证样品的横向位置不超过一定的值，其误差可以忽略；但对最大横向阱力的测量，流体力学法所测量到的实际上是逃逸阱力，这个值比实际的最大横向阱力要小很多。上述讨论表明，为了更精确的测量光阱力，必须发展新的刚度标定方法。

全文目录

目录  7-9
摘要  9-11
ABSTRACT  11-14
第一章绪论  14-39
  1.1 光镊技术简介  15-16
  1.2 光镊的原理  16-22
    1.2.1 光的动量  16-17
    1.2.2 几种基于激光力学效应的技术  17-22
  1.3 开展光镊技术研究的意义  22
  1.4 光镊技术的几种典型应用  22-29
    1.4.1 光镊研究马达蛋白运动过程  23-24
    1.4.2 光镊研究蛋白质折叠与去折叠过程  24-25
    1.4.3 光镊进行水稻单条染色体分选  25-26
    1.4.4 光镊研究分散体系稳定性  26-27
    1.4.5 光镊组装半导体纳米线  27-29
  1.5 本文的总体研究构想  29-33
  引用文献:  33-39
第二章纳米光镊系统  39-56
  2.1.光镊系统的设计思路  39-42
  2.2.光路设计  42-46
    2.2.1.光镊光源——激光器  42-43
    2.2.2.显微镜  43-44
    2.2.3.探测光镊光路  44-45
    2.2.4.扫描光镊光路与铺助光镊光路  45-46
    2.2.5.其它因素  46
  2.3.光镊操控系统  46-49
    2.3.1.被动操控系统  46-47
    2.3.2.主动操控系统  47-49
  2.4.数据采集系统  49-54
    2.4.1.CCD系统  49-50
    2.4.2.QD系统  50-54
  2.5.总结  54-55
  引用文献:  55-56
第三章光阱参数的标定与数据分析  56-79
  3.1.位移测量  56-65
    3.1.1.CCD图像相关运算法测量微粒的横向位移  57-62
    3.1.2.四象限探测器法测量微粒的横向位移  62-63
    3.1.3.信息熵法测量微粒的纵向位移  63-65
  3.2.刚度标定和力的测量  65-76
    3.2.1. 流体力学法  66-67
    3.2.2.热运动分析法  67-69
    3.2.3.功率谱法  69-70
    3.2.4.外加周期驱动法  70-72
    3.2.5.实验测量结果  72-74
    2.2.6.讨论  74-76
  3.3.小结  76-77
  引用文献;  77-79
第四章采集系统带宽对刚度标定的影响  79-94
  4.1.MONTE-CARLO模拟  80-84
    4.1.1.刚度简介  80-81
    4.1.2.运动的数值模拟  81-82
    4.1.3.测量的数值模拟  82-83
    4.1.4.模拟实验结果  83-84
  4.2.功率谱分析  84-87
    4.2.1.原理  85-86
    4.2.2.计算结果  86-87
  4.3.讨论  87-92
  4.4.总结  92-93
  引用文献:  93-94
第五章纵向力对光阱力测量的影响  94-113
  5.1.流体力学法测量光阱力时存在的问题  94-96
  5.2.实验研究  96-99
  5.3.RO模拟分析  99-108
    5.3.1.RO模型原理  99-101
    5.3.2.计算思路  101-104
    5.3.3.单条光线对小球作用力的计算  104-106
    5.3.4.计算结果  106-108
  5.4.讨论  108-110
  5.5.总结  110-111
  引用文献:  111-113
攻读学位期间的成果  113-115
致谢  115

纳米光镊系统的研制及微小力学量的测量

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