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光学微操纵技术及应用

作　者: 雷铭
导　师: 姚保利
学　校: 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）
专　业: 光学
关键词: 光学微操纵激光光镊飞秒激光光刀显微光谱仪
分类号: O439
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

光学微操纵技术是利用光学的方法对微小粒子进行精细操作和特性研究的技术，自从上世纪七十年代问世以来得到了飞速的发展和广泛的应用。本论文建立了一套多功能光学微操纵系统，它集成了激光光镊、飞秒激光光刀、显微光谱仪、暗场显微等多种功能，可广泛应用于生物医学、材料化学、纳米科技等领域。围绕着光学微操纵技术，作者主要开展了以下几个方面的研究工作：1．设计并建立了激光光镊微操纵装置，实现了光镊捕获和移动酵母菌细胞、红细胞、叶绿体、PMMA，SiO₂等微粒的操作，使用拖戈法测量了光阱中几种微粒的最大横向捕获力。使用计算机控制光束扫描实现了分时扫描光镊，同时捕获了9个酵母菌细胞。理论分析了由于光束轨道角动量和自旋角动量传递以及微粒的特殊形状导致微粒旋转的机理，利用圆偏振光与CaCO₃微粒的自旋角动量传递，实现了CaCO₃微粒的光致旋转，旋转速度可达12转／秒。2．将飞秒激光光刀与光镊技术结合，利用光镊捕获特定微观对象，利用飞秒激光对其进行精密微加工操作（如打孔、切割）。进行了PMMA微球的飞秒激光显微加工；飞秒激光作用活体动物细胞荧光染料转染；飞秒激光在生物分子材料BR上诱导产生“F”态；光致变色材料俘精酸酐的飞秒双光子信息写入等实验。3．提出并实现了一种使用锥镜产生暗场和荧光显微的方法，并与显微光谱技术相结合，可以在对微小样品进行暗场显微或荧光显微的同时测量其吸收、散射和荧光光谱，光谱采样区域可达微米量级。该方法具有光能透过率高、可实现明／暗场照明转换等优点。4．提出并实现了一种使用多棱锥镜和多棱台镜产生多束光干涉形成二维和三维光学格子的方法。理论分析和数值模拟了多束轴对称平面波干涉产生的二维及三维点阵结构的特性，得到了光场分布随光束数目增加的关系。实验上使用飞秒激光入射多棱锥镜和多棱台镜进行了多光束干涉实验，将多束轴对称平面波干涉形成的光学格子记录在偏振片上，并进行了衍射实验。将数值模拟与实验结果进行了比较，二者完全符合。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
中英文专业词汇对照表  7-11
第一章光学微操纵技术概论  11-29
  1.1 光学微操纵技术发展概况  11-12
  1.2 光学微操纵技术的分类及应用  12-24
    1.2.1 激光光镊技术  12-21
    1.2.2 飞秒激光光刀及多光子显微技术  21-23
    1.2.3 光镊拉曼光谱技术  23-24
  1.3 本论文的研究内容  24-25
  参考文献  25-29
第二章光镊微操纵技术的理论及实验研究  29-65
  2.1 光镊的基本原理  29-31
  2.2 光镊的应用  31-35
    2.2.1 光镊在生物领域的应用  32-34
    2.2.2 光镊在物理学等领域的应用  34-35
  2.3 光镊系统的基本构造  35-41
  2.4 光镊微操作技术的实验研究  41-49
    2.4.1 实验系统  41-42
    2.4.2 实验结果与讨论  42-49
  2.5 光致旋转技术的理论及实验研究  49-58
    2.5.1 光致旋转概述  50-51
    2.5.2 微粒光致旋转的理论分析  51-56
    2.5.3 实验研究与分析  56-58
  2.6 结论  58-59
  参考文献  59-63
  附录: 光镊系统主要性能指标  63-65
第三章飞秒激光光刀技术及应用  65-86
  3.1 飞秒激光技术的发展  65-66
  3.2 飞秒激光技术的应用  66-67
  3.3 飞秒激光在生物医学中的应用  67-68
  3.4 飞秒激光光刀技术实验研究  68-80
    3.4.1 飞秒光刀微加工  69-71
    3.4.2 飞秒光刀作用活细胞实验研究  71-76
    3.4.3 飞秒激光诱导俘精酸酐双光子光致变色的实验研究  76-78
    3.4.4 飞秒激光诱导BR膜产生F态的实验研究  78-80
  3.5 结论  80-81
  参考文献  81-84
  附录: 飞秒激光光刀系统主要性能指标  84-86
第四章显微光谱技术与暗场显微技术研究  86-101
  4.1 显微光谱技术  86-91
    4.1.1 显微光谱技术简介  86-87
    4.1.2 显微光谱技术的应用领域  87
    4.1.3 实验系统构成  87-88
    4.1.4 实验结果与讨论  88-91
  4.2 暗场显微技术实验研究  91-97
    4.2.1 暗场显微简介  91-93
    4.2.2 用锥镜实现暗场显微的理论分析  93-94
    4.2.3 实验结果与讨论  94-97
  4.3 结论  97-98
  参考文献  98-99
  附录: 显微光谱仪主要性能指标  99-101
第五章多棱锥镜产生多光束干涉场的理论和实验研究  101-116
  5.1 引言  101-102
  5.2 多光束干涉理论  102-103
  5.3 多棱锥/台镜产生多光束干涉方法  103-105
  5.4 数值模拟与实验结果  105-113
    5.4.1 数值模拟的二维及三维光点阵列与实验结果对比  105-110
    5.4.2 在偏振片上记录二维光点阵列实验结果  110-113
  5.5 结论  113
  参考文献  113-116
第六章总结与展望  116-119
致谢  119-121
博士期间发表的论文和申请的专利  121-124
博士期间获得的荣誉  124

光学微操纵技术及应用

内容摘要

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