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基于FDTD的聚焦倏逝场的模拟及近场捕获实验设计

作　者: 邓伟
导　师: 朱艳英
学　校: 燕山大学
专　业: 光学
关键词: 近场光镊时域有限差分方法纳米捕获聚焦倏逝场
分类号: O439
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 119次
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内容摘要

光镊在生物、物理和化学等领域得到了广泛的发展和应用,但是该技术受到高倍显微物镜的尺寸和光学衍射极限等多种因素的制约,从而限制了其进一步发展。近场光镊技术克服了传统光镊的局限,突破了光学衍射极限,可以捕获纳米量级的微粒。论文内容包括光镊的原理和近场光学的理论介绍,以及近场光镊技术的发展和研究现状,时域有限差分(FDTD)理论的介绍,应用FDTD方法对倏逝场和辐射压力进行模拟,进一步设计了聚焦倏逝场近场捕获实验平台系统。首先,对光镊原理进行了系统的阐述,分别从光动量,光压,光镊产生的梯度力、散射力等不同层面进行分析,说明光镊捕获粒子的作用过程。并详细介绍了近场光镊理论和实验的研究进展。其次,详细介绍了FDTD的基本原理、Yee元胞和FDTD基本方程。在光镊理论的基础上,利用二维FDTD方法,对内部全反射产生的倏逝场进行了模拟,并利用三维FDTD方法,分析了微米级粒子所受的辐射压力。最后,在理论分析和模拟分析的基础上,将近场光镊与远场光镊结合起来,尝试建立聚焦倏逝场近场捕获实验平台系统。近场光镊技术利用近场光学倏逝场随距离急剧衰减的特征,可显著地降低捕获粒子的尺寸,实现纳米捕获。在纳米技术领域为生物、化学、物理等领域增加了一个精密度更高的操纵工具。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-27
  1.1 课题背景  10-13
  1.2 光镊技术的发展及研究现状  13-16
  1.3 近场光镊技术的发展及研究现状  16-26
    1.3.1 近场光镊理论的研究进展  17-22
    1.3.2 近场光镊实验研究进展  22-25
    1.3.3 近场光镊的潜在应用  25-26
  1.4 课题的来源和主要内容  26-27
第2章光镊和近场光学的基本原理  27-43
  2.1 光镊的定义  27
  2.2 光镊的原理  27-34
    2.2.1 光的动量和光压  28
    2.2.2 光镊的梯度力和散射力  28-31
    2.2.3 二维光学势阱  31-32
    2.2.4 三维光学势阱  32-34
  2.3 近场光学基本原理  34-42
    2.3.1 傅立叶光学分析—平面波展开法  35-40
    2.3.2 捕获理论  40-41
    2.3.3 电磁理论  41-42
  2.4 本章小结  42-43
第3章时域有限差分法理论  43-51
  3.1 时域有限差分方法的原理  43-50
    3.1.1 Yee 氏算法  45-48
    3.1.2 网格与结构  48-49
    3.1.3 边界条件  49-50
  3.2 本章小结  50-51
第4章全反射型倏逝场和微米尺寸粒子受力FDTD 模拟  51-63
  4.1 基于内部全反射倏逝场光场的二维FDTD 模拟  51-54
    4.1.1 计算模型及FDTD 模拟  51-54
  4.2 微米尺度粒子受力的三维FDTD 模拟  54-62
    4.2.1 粒子受力的数值计算方法  54-55
    4.2.2 聚焦电场的设定  55-57
    4.2.3 捕获力模拟与分析  57
    4.2.4 半径为1 μm 的小球受力  57-61
    4.2.5 微粒子轴向受力分析  61-62
  4.3 本章小结  62-63
第5章聚焦倏逝场近场捕获实验平台的设计  63-69
  5.1 光镊的力学分析及结构组成  63-64
  5.2 近场光镊技术  64-65
    5.2.1 全内反射倏逝场粒子排列  64-65
  5.3 聚焦倏逝场近场捕获实验平台的设计  65-68
    5.3.1 聚焦倏逝场近场捕获实验系统的构成  65-67
    5.3.2 近场光镊装置及其工作原理  67-68
  5.4 本章小结  68-69
结论  69-71
参考文献  71-76
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  76-77
致谢  77-78
作者简介  78

基于FDTD的聚焦倏逝场的模拟及近场捕获实验设计

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