用于溶液环境的显微近红外全息光镊控制和获得形貌的技术研究

用于溶液环境的显微近红外全息光镊控制和获得形貌的技术研究是采用近红外全息光镊在溶液中捕获和操纵非线性纳米线材料，并发生倍频效应，使纳米线两端出射的可见光，一端作为近场光源照射样品，并将依附于样品表面的隐失场转化为被光电倍增管接受的远场，另一端出射光被四象限光电探测器接受以获取纳米线三维位置信息，该信息反馈给计算机，通过相位全息图设计实现纳米线与样品之间的近场等距离控制，经过对样品表面逐点扫描后，获取样品的光学图像和三维形貌。这种新技术特别适用于普遍具有柔软和复杂形貌特征的活生物样品观测。本申请课题的主要创新点有：⑴首次将全息光镊技术应用于扫描近场光学显微技术；⑵建立全息光镊与纳米线之间力学仿真模型、纳米线探针和样品之间光场仿真模型，通过实验验证、修正模型并优化实验参数。本申请课题的研究可以克服现有的扫描近场光学显微镜在溶液中使用时存在的不足，有望为活细胞和活细胞生物分子的探测研究开辟蹊径。

全息光镊技术能同时产生多个光阱和各种光分布，具有三维动态控制样品的能力，因而被看作光镊技术的第二次革命。自它出现以来的十几年里，全息光镊技术在纳米技术、生物、物理等诸多领域显示出较高的应用价值。本课题将全息光镊技术用于在溶液中捕获和操纵纳米线，在以下几个方面展开了研究。. 建立了全息光镊实验平台，提出和实现了多平面 AA算法，实现了对基于DBS算法的OPPO( outplane phase optimize)算法的改进，此外,还设计了全息图用于产生特殊光阱如光学漩涡。. 全息光镊实验研究方面：采用多平面AA算法，在全息光镊实验平台上实现了对微粒的三维捕获和操纵。采用改进的DBS算法，实现了对小数目微粒的实时操纵。采用计算全息产生的光学漩涡实现了对氧化锌纳米线的捕获和旋转操作。采用全息光镊操纵和组装氧化锌纳米线得到了二维和三维结构。采用功率谱法对全息光镊捕获微球的横向光阱刚度进行了测量并获得相应的位移信息。实现了对铌酸钾纳米线的倍频，并采用近红外光镊操纵铌酸钾纳米线实现了对具有一定透过率的聚苯乙烯微球的等高扫描，获取了相应的形貌。. 进行了光阱力计算的研究。采用三维时域有限差分法(FDTD)和Maxwell应力张量法建立了线偏振光镊和径向偏振光镊在焦点附近捕获纳米线的光阱力模型，讨论了纳米线材料的折射率对光阱力的影响。采用三维时域有限差分法建立纳米线探针与被测样品之间的光场仿真模型，仿真计算表明当纳米线端面与样品表面的距离大于200nm时，纳米线才能被光镊稳定捕获。.研究工作的创新点有：提出了多平面AA算法和改进的DBS算法，使全息图计算时间大幅度降低。提出和实现了采用FDTD数值仿真线偏振和径向偏振光镊捕获纳米线。发现在同样激光功率下，径向高阶拉盖尔-高斯光束比径向低阶的使纳米线旋转更快。提出了全息光镊融化聚合物材料的方法，实现了在聚合物薄膜上组装氧化锌纳米线。. 本课题为全息光镊技术应用的进一步研究奠定了理论和实验基础。