飞秒涡旋光镊的应用基础研究

使用飞秒激光直写，在硅酸盐玻璃内部制备光涡旋的体计算全息微结构。再使用飞秒脉冲激光入射到该微结构中，产生高效率脉冲飞秒涡旋激光束。利用飞秒涡旋激光辐射压力及强飞秒脉冲产生的冲击波捕获分布在液体中微纳米粒子及生物细胞，从而实现飞秒涡旋光镊操控微纳米粒子及生物细胞的功能。通过涡旋光镊对细胞等微小粒子无损伤地操控，达到使用连续激光在生物学中排列、调控微小单元结构的目的。同时，通过理论计算研究不同数值孔径的物镜下光场的分布情况，结合试验结果进行更进一步的理论分析对不同条件下实验参数进行标定。再则，利用飞秒涡旋光镊系统操控微纳粒子的实验与飞秒脉冲在液体中所产生的冲击波对微纳粒子的束缚做一个实验结果对比，从而更进一步探索飞秒涡旋光镊在生物学中的活体细胞操纵的研究。

"光镊"是利用在激光与微粒相互作用过程中,由动量转移产生辐射压力形成的光学陷阱，近年来，随着科学技术的进展，光镊已经成为研究微小粒子静态和动态力学特性的理想研究手段之一。光镊可以用普通高斯激光束实现，也可以用"涡旋"光束实现。高斯激光束作为光镊使用，存在一个较大的问题就是激光束在捕捉生物大分子时，容易破坏或损伤分子。涡旋光束作为光镊在捕捉生物大分子时，有着特有的优势，因为涡旋激光束的激光强度集中在光束的边缘，中心处光强很弱，这样，涡旋光束不但能控制何捕捉大分子，而且还不会损伤分子，所以从作为光镊使用的实用性上来看，涡旋光镊更有应用价值。.在本项目中，我们首次提出了“飞秒涡旋光镊”的概念，并且在我们实验室自行搭建出了普通连续光镊、连续涡旋光镊、飞秒光镊、飞秒涡旋光镊等实验系统，并且利用自行搭建的实验系统在实验中实现了对微小粒子的操作控制，并且取得了一定的实验及理论成果。我们在自制的微流通道内使用飞秒激光作为光源进行了飞秒光镊实验，实现了对微流通道内的生物细胞的选择，移动、排列等控制，并且研究了生物细胞在飞秒光镊作用下的动力学性能。我们利用已经搭建完成飞秒涡旋光镊系统，并利用该系统完成了对氧化铜纳米粒子的操控实验，该实验结果证实飞秒激光作为光镊系统光源形成飞秒涡旋光镊的可行性及有效性。.在本项目的资助下，我们也研究了飞秒激光脉冲与金属膜、透明玻璃、金银纳米粒子等物质体系的相互作用，并且取得了一定的研究成果，我们利用所具备的实验系统在相关的材料表面或体内加工了一些光功能微器件，比如全息存储器件、全息体光栅、微流体通道等。.综上，在本基金的资助下，我们成功搭建了四套不同类型的光镊实验系统，并取得了一些科学实验成果，到目前为止已经发表书籍章节2章、发表SCI学术论文10篇、参加国际会议4人次，超额完成预定工作目标。