三维光镊的算法仿真研究

论文总字数：30067字

摘 要

1986年，Ashkin发明了单束光梯度力阱，光学镊子技术这一概念随之诞生。经过了数十年的发展，光镊技术的精度不断提高，基于光镊的微操作技术不断扩展，因此光镊技术在各种微观领域的研究中的应用也越来越广泛。光学镊子已然成为当前光学领域内的研究热点之一。本文围绕着三维光学镊子的原理及其相关技术，主要进行了以下几个方面的研究工作：

1. 针对三维光镊在光与物质相互作用领域以及量子领域的应用开展了调研，概述了三维光镊在这两个领域内的研究状况。
2. 针对全息光镊的原理，特别是计算能够获得目标光强分布的相位全息图的直接算法与GS迭代算法进行了研究，并通过仿真实验验证了以上两种方法的有效性，并且根据实验结果对比了通过两种方法进行全息重建的效果的差异。
3. 对复杂结构曲线牵引光束的生成方案，特别是其中全息光束整形与double phase两项关键技术进行了研究。通过仿真实验验证了在三维空间内不同平面上同时生成复杂结构曲线牵引光束的方案的正确性。

关键词：光镊；全息光镊；GS算法；光束整形；double phase

ABSTRACT

In 1896, Ashkin invented single-beam optical gradient force trap, and the concept of optical tweezers came into being. After decades of development, the accuracy of optical tweezers has been continuously improved, and the micromanipulation technology based on optical tweezers has been expanding. Therefore, optical tweezers has been more and more widely used in studies of various microscopic fields. It has become a hot spot of research in optics. Focused on the principle of 3D optical tweezers and related technologies, this thesis covers the following research works:

1. An investigation is carried out on the application of 3D optical tweezers in the field of the interaction between light and matter and the field of quantum. The research status of 3D optical tweezers in these two fields is summarized.
2. The principle of generating holographic optical tweezers is studied, especially the direct algorithm and GS iteration algorithm for calculating the phase hologram which is used to obtain the distribution of the target light intensity.  The effectiveness of the above two methods is verified by simulation experiments, and the effect of holographic reconstruction through the two methods is compared according to the experimental results.
3. The generation scheme of complex structured tractor curve beams is studied, especially two key technologies, i.e. holographic beam shaping and double phase. The simulation experiment verifies the correctness of the scheme of simultaneous generation of complex structured tractor curve beams on different planes in the three-dimensional space.

Keywords: Optical tweezers, Holographic optical tweezers, GS algorithm, Beam shaping, double phase

目 录

第一章 绪论 1

1.1光学镊子技术的产生与发展 1

1.2光学镊子的基本原理 1

1.3本文主要内容与文章结构 2

第二章 光学镊子在光与物质及量子领域研究概述 3

2.1光学镊子在光与物质领域研究状况 3

2.2光学镊子在量子领域研究状况 6

2.3 本章小结 7

第三章 三维全息光镊的计算机仿真实验 7

3.1 全息光镊的基本结构与原理 7

3.2 计算生成全息光阱的全息图的算法 9

3.2.1 直接算法 9

3.2.2 迭代算法 11

3.3 三维全息光镊仿真 15

3.3.1 仿真实验的设置 15

3.3.2 仿真实验程序设计 15

3.3.3 实验结果与分析 16

3.4 本章小结 20

第四章 复杂结构曲线牵引光束的仿真实验 21

4.1 三维复杂结构曲线光束的生成原理 21

4.1.1 曲线光束的生成 21

4.1.2 空间光调制器的编码 22

4.2 仿真实验的设置与程序设计 24

4.3 实验结果与分析 25

4.4 本章小结 26

第五章 总结与展望 27

参考文献…………………………………………………………………………………………..28

致谢………………………………………………………………………………………………..32

第一章 绪论

1.1光学镊子技术的产生与发展

1986年，Ashkin等人首先使用了强聚焦的单束激光完成了水中电介质微粒的稳定性捕获，这标志着光镊技术，即单束光梯度力阱的诞生^[1]。这是一种三维的全光学势阱。利用光对物体进行捕获与操纵的技术第一次走进了人们的视野。因为光镊具有可以在微米量级下精确定位并选择个体、在生命状态下操作的特性，并且其产生的皮牛顿量级的光力恰适合于进行生物细胞、亚细胞层次结构的研究，因此光镊自出现开始，就被迅速运用到了生物学领域中^[2]。

由于光镊技术是用光束对微粒进行“非接触”的捕获，因此样品不会受到机械损伤，另外，光镊对粒子进行捕获时，几乎不会干扰粒子所处的环境。所以光镊技术也适用于化学与物理学研究。光学捕获技术诞生到现在经过了30余年，从原来微米级精度的操控，到目前可以实现亚纳米级精度的操控；从原来的单束光光阱，到后来的光阱阵列^[3]，并且出现了诸如全息光镊^[4]、表面等离子体光镊^[5]等多种实现光镊的技术；从原来使用标量光束进行捕获，到目前可以利用复杂矢量光场^[6]、光学涡旋等提升捕获的稳定性，并实现其他对物质的相关操作，如旋转被捕获的粒子^[7]、分选粒子^[8]等。光学镊子这一技术的水平不断提升，它不仅推动了光学领域的发展，也成为了光学与其他多学科的交叉融合的桥梁。

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