关键词： 颗粒   微流控   光辐射压力   惯性分选   光学分选  

摘要： 大气颗粒物在其大气寿命期间可能会被长距离运输,参与大气化学反应,对全球气候、环境污染和人类健康有着严重影响。因此亟需探索颗粒物的物理与化学性质,而探索颗粒物理化性质的前提是对不同空气动力学直径的颗粒物进行分选操控,为解决大气颗粒物污染问题提供科学指导。针对颗粒物分选,本文根据粒子惯性分选原理、光的力学效应原理及微流控技术深入研究了基于微流控技术的粒子分选方法。经过理论分析、数值模拟以及实验平台设计与验证等环节,最终初步实现了不同粒径大小的粒子分选,为研究大气颗粒物的理化性质提供了有效研究手段。本文的主要工作如下: (1)微流控系统粒子分选技术的基础理论研究。探讨了粒子惯性分选微流控技术的基础理论,从Stokes数与Reynolds数出发,结合Cunningham分子滑移校正,分析了粒子惯性分选微流控芯片的设计原理。基于Stokes数与Reynolds数,利用有限元分析对粒子惯性分选微流控芯片进行了设计与数值模拟优化。深入探讨了微流控芯片结构特征、流量和温度等参数对分选性能的影响。 (2)粒子惯性分选微流控实验系统设计与验证。根据数值模拟结果设计了粒子惯性分选实验平台,实验平台主要由颗粒物发生模块、粒子分选模块和观测模块构成。采用粒径大小为1μm、2μm和5μm的聚苯乙烯微球进行了分选实验测试,实验结果表明该分选芯片具有良好的粒径分选能力,能够有效依据粒径大小实现粒子分选,初步验证了粒子惯性分选微流控芯片的有效性。 (3)光的力学效应及光辐射压力理论研究。根据光辐射压力原理计算了不同粒径大小粒子受到的光辐射压力,并设计了粒子光学分选微流控芯片的物理模型,探讨了粒子惯性分选微流控芯片的基础理论。根据微流控芯片物理模型求解了粒子在微通道内的运动控制方程,得出了粒子在光力作用下偏移距离的理论解析解,同时分析了复折射率、粒径、流速等参量对粒子偏移距离的影响。在此基础上提出了无量纲参数S,用于表征粒子在该模型中的运动行为。利用有限元计算的方式构建了微流控芯片的物理模型,通过数值模拟计算了2μm粒子在微通道内的偏移距离为11.9μm。将数值模拟结果与解析解结果进行对比,偏移距离误差为2.8μm。同时计算了不同S值粒子的分选效率,结果表明在其他条件不同的情况下,S值相似的粒子的分选效率非常接近,表明无量纲参数S能够有效表征该模型中粒子的运动行为。 (4)粒子光学分选微流控实验系统设计与验证。根据理论分析与数值模拟设计了粒子光学分选实验平台,实验平台主要由进液模块、激光作用模块、分选芯片模块和观测模块组成。采用聚苯乙烯微球进行了分选实验测试,实验结果表明该微流控芯片具有良好的分选能力,在激光辐射力作用状态下,聚苯乙烯微粒在激光出射方向发生了明显的位置偏移。2μm聚苯乙烯微粒的偏移距离为10.5μm,与解析解(14.7μm)和数值解(11.9μm)相比,误差分别为4.2μm与1.4μm,不同S值粒子的分选效率误差分别为4.33%、10.17%和18.51%,初步验证了粒子光学分选微流控系统的有效性。

关键词： 光辐射压力   超高峰值功率   超窄脉宽   激光功率   测量不确定度  

摘要： 随着激光应用领域的快速拓展,超高峰值功率、超窄脉宽逐渐成为未来激光行业的重点研究方向之一,这种激光的超高电场能量给高精度的激光功率测量提出了挑战。传统的激光功率测量方法,如光电法、热释电法、量热法等逐渐显露出不适用于上述激光功率测量的缺点,此外上述方法都难以实现实时、在线测量。为了克服以上困难,需要一种新型激光功率测量原理与方法。以美国国家标准与技术研究院为代表的机构提出了一种光辐射压力测量法,该方法使激光作用在高反射率的反射镜上,激光动量形成了光辐射压力,这个力可以采用多种力学传感方式进行计量。该方法不但能实现激光功率快速、准确测量,而且不影响激光能量传输,可以实现实时、在线的激光功率测量。系统回顾了国内外通过光辐射压力测量激光功率的基本原理和系统组成,光辐射压力测量激光功率的研究现状,并对该方法的发展方向进行了展望。

关键词： 激光等离子体相互作用   辐射压力加速   PIC粒子模拟   双束激光   临界密度靶  

摘要： 近年来,激光与等离子体相互作用的离子加速因其具有高的加速梯度及小型化等优点,引起了人们的广泛关注.激光与等离子体相互作用产生的高品质离子束在许多领域都有着十分重要的应用,如癌症治疗、惯性约束聚变、实验室天体物理学等.目前,主要的离子加速机制有靶后鞘层加速、静电激波加速、辐射压力加速等.其中,辐射压力加速因其能量转换率高,能产生高品质的离子束等优点,而被认为是有前途的离子加速机制之一.目前,在辐射压力加速的理论及数值模拟研究中,为了得到高品质的离子束,常采用理想的超强激光与超薄靶相互作用来加速离子,但这给实验操作带来了极大的挑战性.本学位论文立足目前实验室实际激光薄膜靶参数及非理想条件,提出了两种在实验中更容易实现的辐射压力加速新方案,一种是利用双束超高斯激光与固体薄膜靶相互作用辐射压力加速质子,另一种是利用单束高斯激光与近临界密度复合靶相互作用辐射压力加速质子,并用PIC模拟对两种新方案进行了验证,均得到了高品质的质子束.具体如下:1.对于辐射压力加速来说,超宽超强的激光有助于产生高品质的离子束.但是由于激光能量的有限性,在实验中产生这样的激光具有一定的困难.因此在本学位论文中提出了利用两束激光得到一束超宽超强激光的两种方案.在方案1中,为了克服超宽激光强度的有限性,利用辅助激光与主激光在强度上进行叠加.在方案2中,为了克服超强激光脉宽的有限性,利用辅助激光与主激光在脉宽上叠加形成一束超宽超强的激光.通过二维PIC模拟发现,这两种方案中的质子可以在激光光压作用下长期稳定的加速.与单激光脉冲相比,质子的数目和能量都显著增加了.此外,还研究了辅助激光的参数,如强度、焦斑半径和脉宽对质子加速的影响.结果表明当辅助激光参数在一定范围内改变时,方案具有很好的鲁棒性.利用现有的实验室激光等离子体参数,该方案可获得1.2Ge V的单能高品质质子束.2.在辐射压力加速中,常使用理想条件下的超高斯激光与超薄薄膜靶相互作用.但薄膜靶的厚度只有几十到几百个纳米,如此薄的靶不仅自支撑性能较差,也给实验操作带来了较大的难度.实验室中的激光通常是高斯激光,但高斯激光会导致靶弯曲和质子发散,为了获得高品质的离子束,在理论与数值模拟中常使用超高斯激光.为了增加靶的厚度,提升靶的自支撑性,提出选择使用近临界密度靶.但在超强激光的辐照下,近临界密度靶会由于相对论自透明,而无法实现辐射压力加速的过程.因此提出在近临界密度靶前附加一层高密层来组合成复合靶.为了解决高斯激光导致的质子发散问题,提出利用外加纵向磁场对质子进行约束.因此,本学位论文研究了外加磁场约束下高斯激光与近临界密度复合靶的辐射压力加速质子.通过二维PIC模拟发现质子的发散程度减小,准直性有所提升.

关键词： 光辐射压力   光泳力   激光点火   单颗微粒   扩散燃烧  

摘要： 单颗燃料微粒的操控和燃烧特性是评价燃料和解释颗粒群燃料燃烧特性的基础。本文提出采用激光光镊对微粒进行操控和点火,测量单颗微粒操控、点火和燃烧过程参数,进一步揭示颗粒燃料的燃烧机理。光镊是操控微粒的重要工具,而光镊操控微粒有两种不同力的表现形式:一种是利用激光辐射压力,另一种是利用光泳力。本文系统设计光镊操控和点火装置,并进行自行搭建。在搭建的装置基础上,分别对液体环境中的聚苯乙烯小球进行捕获,对空气中强吸收石墨微粒进行操控,并对单颗石墨微粒的点火和燃烧特性进行测量分析,揭示其反应控制机理,具体包括:(1)在光镊操控和点火装置设计过程中,着重解决激光光斑与显微物镜入瞳匹配问题、物镜与照明光源匹配问题、光束耦合问题等。通过ZEMAX软件对扩束和阱位调节光路进行模拟仿真,结果表明阱位位置与调节镜移动的距离呈近似线性关系。(2)通过对聚苯乙烯(PS)小球的捕获,来考察基于辐射压力的光镊控制参数。结果表明:去离子水中5.0μm PS小球的最低捕获功率为6.7m W;在10.4m W下的最大光阱力为2.37×10-12N,光阱刚度为4.74×10-7N/m,稳定和非稳定捕获点分别距光镊中心7.038μm和7.467μm;PS小球在光阱力作用下向光镊中心的运动为变加速运动。不同操控功率下,小球的运动规律大致相同,功率越高,PS小球的运动速度和加速度相应提高。(3)通过对石墨微粒的操控来考察基于光泳力的光镊控制参数。结果表明:对石墨微粒产生光泳运动的最低激光能量为7.3m W;石墨微粒在光泳力作用下存在多种运动方式,包括变加速曲线运动和绕定点做变角加速度的旋转运动等;操作功率将直接影响其运动速度。(4)单颗石墨微粒的激光点火和悬浮燃烧特性研究,运用激光点火点燃单颗石墨微粒,并采用90000fps进行显微高速拍摄记录燃烧过程,分析其燃烧特性。结果表明:石墨微粒的点火延迟时间短至数十微秒,点火能量低至几微焦;其点火能量随颗粒初始粒径增大而增加,呈平方关系,相关系数达0.99;微粒先进行扩散燃烧,火焰面积随着燃烧时间呈线性增加,待火焰亮度达到最大时火焰面积开始随燃烧时间呈线性收缩;火焰扩散速率比收缩速率稍快,在火焰收缩过程中微粒会被逐渐推离激光光斑处,然后熄灭。自然对流空气中,单颗石墨微粒的燃烧氧化反应主要受氧气扩散控制。

关键词： 细胞分离   光纤   光辐射压力   光压差分   数值仿真  

摘要： 本文采用有限体积法建立了交叉型细胞分离模型,提出了一种基于光压差分的细胞筛选仿真方法,分析微流体中细胞筛选的影响因素。基于层流、流体流动粒子追踪、波动光学理论,利用有限元分析法建立了一种交叉型光学颗粒分离模型,研究了利用光压差分技术分离细胞的各种影响因素,其中包括微粒直径,激光功率、温度、光纤直径,分析了微粒在流体中因光辐射压力作用下的偏移距离。实验结果表明:在微流体中,激光功率、细胞直径、温度(20℃)和偏移距离大体上成正比关系,光纤直径和细胞直径在大小相当的情况下光辐射压力能够达到最大值,当激光通过光纤作用于直径分别为3,8和20μm的微粒时,光纤直径为7μm或8μm时光辐射压力最大,所以选用直径为8μm的单模光纤作为一个重要的实验光学器件。所得结论为深入研究细胞筛选影响因素的数值仿真精度提供了参考与借鉴。

关键词： 微流控芯片   细胞筛选   光辐射压力   激光   光流控  

摘要： 细胞筛选在疾病的早期诊断治疗和生物化学等多种领域具有巨大的应用前景。传统的细胞筛选方法需要大量的样本,并且需要对细胞进行标记,严重影响细胞的纯度和活性。随着微机电系统(MEMS)的发展,微流控芯片因其节省试剂、快速高效和规模集成等优点得到了研究人员的普遍关注;单模光纤激光以其非常温和的非机械接触的方式作用于细胞,达到无损伤作用细胞的效果,故而近年来激光筛选细胞与微流控芯片技术紧密结合。本论文通过对国内外微流控芯片及激光在显微尺度领域的应用进行深入研究,对比分析了目前已有的细胞分选方法,围绕微流控技术和激光细胞筛选机理与实验研究,提出一种基于光辐射压力无损伤、无标记、无接触的细胞筛选方法,建立了相应的细胞筛选分离模型,搭建了准开放型的光流控实验平台。在此基础上,完成细胞在微流体中受激光作用运动轨迹产生较大偏移距离实验,实现细胞的高效筛选。主要包括以下几方面内容:(1)基于光辐射压力的微流体内细胞偏移机理研究基于单模光纤激光光辐射压力的理论研究,建立了微粒受斯托克斯(Stokes)阻力和光辐射压力综合作用下的偏移距离数学模型,应用光子流的方法推导出细胞在微流体中受光辐射压力作用而产生位移偏移的距离公式,揭示了微通道内细胞轨迹偏移与激光工艺参数、微粒物性参数的影响规律。(2)微流体中激光筛选细胞及其影响参数的仿真研究建立了基于单模光纤的光流控细胞偏移有限元仿真模型,对纳维-斯托克斯方程、亥姆霍兹波动方程、动量定理进行耦合求解,对基于单因素的激光参数(激光功率、纤芯直径)、流体参数(溶液温度)和细胞参数(细胞直径)与细胞偏移的影响规律进行分析,为细胞的高效筛选提供理论依据。(3)研发了准开放型的光流控筛选芯片依据微尺寸效应,针对全开放型与全封闭型光流控芯片在细胞分离筛选中流阻过大的制约性,通过对比分析,研发了准开放型光流控芯片,有效增大微通道宽度,从而减小流体阻力(斯托克斯阻力),使得细胞在微流体中受激光作用发生了较大的偏移距离,实现细胞的高效筛选。并且分析参数影响规律,优化了单模光纤激光对细胞辐射的受力位置,提高偏移性能。(4)微通道内激光筛选细胞实验研究基于准开放型光流控筛选细胞实验平台,酵母菌细胞和聚苯乙烯小球受到单模光纤激光辐射力作用,两种微粒在垂直于运动方向产生不同的偏移距离从而实现筛选。研究激光功率、微流体速度、溶液温度与细胞在微流体中偏移距离作用机理。

关键词： 大功率激光器   光束整形   高斯光束   平顶光束   光辐射压力  

摘要： 随着现代科学技术手段的不断进步,光辐射压力的研究已逐渐受到广泛重视,如微观领域的激光冷却、光捕陷、光操纵和光推动等的研究,以及宏观领域的激光诱导机械运动、以及航天领域的太阳帆飞船等领域的研究,都出现了光辐射压力的身影。但是目前光辐射压力的测量手段依旧十分有限,因此需要通过更加简便精确地测量才能使其更充分地为人类所利用。本文详细介绍了目前各种类型的大功率激光器,并给出了目前广泛应用的半导体激光器、光纤激光器、全固态激光器、半导体泵浦碱金属蒸气激光器的发展历史和出射功率。结合实验要求选择了额定输出功率为50W的固体激光器,并为了防止过高的激光能量产生大量的热烧蚀被照射物,对初始出射的高斯光束进行匀化扩束,使经过整形后的光束能量分布均匀平行出射。本文选择非球面透镜组对高斯光束进行整形,这种方法结构简单、加工方便并且具有光轴对称性。通过分析非球面整形原理以及平顶光束的传输特点和影响平顶光束光强分布的相关参数,确定了输出光束的函数表达式,再根据能量守恒定律、等光程条件和斯涅耳折射定律可以通过几何方法得出两个非球面的面型解析式,最终确定面型参数,将计算得到的非球面数据拟合为适应ZEMAX特殊形式的非球面表达式。整个整形系统设计可以利用ZEMAX中的优化操作数“REAY”更有效率地进行分布设计,借助光学设计软件ZEMAX的编程语言编写ZPL宏指令,自动优化光束整形系统,最终得到一套大扩束比、结构紧凑的光束整形系统。将整形后的激光光束照射圆形和方形反射片,铝片表面粗糙度Ra小于5nm,并且表面镀以高反膜。实验结果表明,光辐射压力对铝片造成的形变量与其厚度呈现负相关作用。并通过进一步分析证明被照射铝片的负向形变是光压作用,而正向形变则是受支座PLA材料的影响,从而成功测得光压力的存在。

关键词： 光辐射压力   光镊   光学升力   角动量   角谱理论   球差   像散  

摘要： 人们对光辐射压力的研究与应用越来愈广泛,光镊技术和光学升力是人们利用光辐射压力的两个重要方面,特别是光镊在微生物领域的运用,光镊不但可以无损伤的移动细胞完成基因融合,还能冷却和重新排列原子,而近两年才开始的光学升力的研究,对未来光对物体操控和微观机械力学的发展更是有着深远的意义。 本文首先根据里查德-沃耳夫矢量积分理论,研究了径向偏振光在大数值孔径透镜聚焦下,透镜球差和像散对瑞利粒子受到的光阱力的影响。研究结果表明,球差系数和像散系数的存在,改变了光阱力的大小,也影响了有效作用区域,还导致光阱中心发生偏移。而且正负球差系数对光阱力的影响并不总是对称的,正球差系数使得梯度力的零点位置往z轴正向偏移,负球差系数使得梯度力的零点位置往z轴负向偏移。通过改变适当的条件,可以改善球差系数和像散系数对光阱力的影响,这些结果对于光镊等精密仪器的操作具有参考价值。 其次应用平面波角谱理论,研究了在高斯光束的照射下,透明介质平板的受力分布。利用光压差产生光学升力,深入分析了光束的光腰半径、平板的摆放位置以及倾斜角度等参数对透明介质平板受力分布的影响。研究结果表明：适当选取光腰半径和摆放位置,平板受到的横向力可以增大到足以克服重力,使其在光束的照射下升起来。还可以通过缔造可以产生更大辐射力的光束的角谱方程,来返回推导并构造这一类型的激光光束,使其照射物体时,物体能够受到更大的光学升力。 然后研究了一特殊形状微型物体,在涡旋光束照射下的旋转情况。根据动量和角动量守恒定理,推导了微型物体在x、y和z方向上受力旋转的力矩公式。通过数值计算,得到了微型物体在不同表面倾斜角度的情况下,该微型物体旋转的特性。研究结果表明,由于涡旋光束的轨道角动量与光束动量的相互作用,改变涡旋光束的拓扑荷数,既可以使微型物体保持静止,也可以改变微型物体旋转的方向和旋转的速度。这对微观机械力学和其他高精密仪器的发展提供了理论依据。 最后研究了底面为钝角三角形三棱柱的光学升力及其旋转效应。从理论上证明了在某些特定的轰击角度下,这种三棱柱可以稳定的做垂直向上的运动,同时得到了使三棱柱稳定抬升的最佳角度。利用这种光压差,对任意形状的透明物体进行研究,研究结果对未来的航天领域、微观机械力学和医药等领域具有很重要的意义。此外,也可以通过理论分析,利用不同模式的光束进行照射,加大这种光压差,使透明物体受力更大。 论文所得到的这些结果为未来光操控物体提供了理论依据。

关键词： 激光光阱   中性粒子   操作技术   微粒   评论   光辐射压力   微小粒子   生物科学  

摘要： 这是一本论述在激光辐射压力下微小中性粒子的光阱和光操作的著作。中性微粒的激光光阱和光操作技术是控制微小粒子的唯一途径。这些新实验方法在物理学和生物科学领域发挥了革命性作用。

关键词： 球面波场   光辐射压力   二能级原子   冷却原子   捕陷原子   力学效应  

摘要： 本文从理论上计算了原子在球面波场中的受力情况 ,计算结果表明 ,球面波冷却和捕陷原子的方法具有冷却原子的范围大和捕陷原子的数目多 ,冷却效率高等优点。