苏ICP备112451047180号-6
Chybeshev粒子的散射特性分析
摘要
Chybeshev粒子的散射理论在天体物理学、光学、军事科学以及其它领域都有广泛的应用。在地球和其行星大气中的气溶胶和云中粒子的形状千差万别，一般情况下总是将粒子作为球体来处理，必然会带来各种误差，粒子非球形性使大气辐射传输的精确计算遇到了很大的困难。因此研究Chybeshev粒子光散射特性在环境监测、大气遥感、烟幕消光机理、通信、以及目标探测等方面具有非常里要的意义。
本文讨论了计算各种粒子在光阱中受力的计算方法。选择T矩阵的方案，论述了其原理，并利用其计算了回转椭圆体、圆柱体、Chybeshev粒子和一般性的Chybeshev粒子的散射场。在入射光为高会聚型高斯光束的情况下，计算了球状的粒子的受力，考虑了光腰位置和粒子半径对小球受力的影响。
关键字：Chybeshev粒子；光散射；特性分析
第一章
引言
近年来单分子探测技术（single molecule detection (SMD)）的发展开辟了生命科学的新领域。在对生物分子的宏观观测中，单个生物分子的动态特性和分子核心组织的运作机制被平均化，因而得不到单个生物分子的动态特性信息。随着近代物理特别是光学技术和生物技术的发展，生物单分子探测已成为可能，单分子探测技术则可以快速实时的记录单个生物分子的动态行为，将生命科学研究提高到更高的层次。
单分子探测包括单分子成像和单分子操纵。常用的单分子操纵工具有微针（glass-microneedle）,光镊（optical tweezers）和原子力显微镜（AFM）。采用这些技术可以精确的操纵单分子和探测单分子的动态行为。
由于光镊可以非接触、无损伤地操纵活体物质，并且其产生的皮牛顿（10-12N）量级的力适合于生物细胞、亚细胞以及生物大分子的力学性质的研究。所以光镊系统越来越广泛地应用于生物学领域，并显示出强大的生命力。
用高数值孔径的物镜把激光光束会聚成达到衍射极限的光斑，从而形成很大梯度的不均匀场。在焦点附近梯度力大于散射力从而介质小球受的力指向光强最大处：这就是单光束实心光镊。其示意图如图1-1所示。
图1-1 典型光镊系统的示意图
在该领域的先驱是AT&T(Bell) 实验室的A.Ashkin。1970年，通过一束会聚的激光，Ashkin成功的束缚住微小粒子例如几微米大小的聚苯乙烯小球。1978年Ashkin提出了单光镊梯度力势阱的方案。1986年Ashkin等人把单束激光引入高数值孔径的物镜形成了一个三维梯度场，并证明了这种光镊可以无损伤地操纵活体物质。
在光镊系统中引入多光束则可以实现多个光阱，从而实现对多个微粒或生物分子的操控。采用一般化相衬法（generalised phase contrast）或者计算机生成全息图（computer-generated holograms（CGH））可以高效率地产生多光束，从而实现对多达数百个微粒或者生物分子的操控。
光镊还可以与许多其它的工具相结合。一个典型的例子是光镊与结合激光剪刀（laser scalpel）。激光剪刀比光镊更早问世。人们利用一束激光经过显微镜聚焦成微米量级的光点作用与细胞，就可以如生理学家那样通过损伤或者改变某一结构来研究细胞了。这种特异的光束能在不损伤细胞外部的情况下，穿入一个细胞或者一个细胞器官在内部实现手术，而决不像传统手术刀那样在到达手术部位的路径上把细胞统统切开，人们把这种紫外激光微束称为激光解剖刀。
光镊与光谱技术的结合可用于识别单分子的化学成分。从单粒子的化学成分的识别的角度研究单粒子无疑是极具吸引力的，例如研究单粒子的组成元素，结构和构造从而揭示在很小的空间尺度上的分子的行为。光镊可以与电化学仪器（electrochemistry）、荧光光谱仪（fuorescence pectroscopy）、拉曼光谱仪（raman spectroscopy）一起使用。
能灵活的研究生物分子的动态特性的本领使得光镊的应用几乎涵盖所有的生物学领域。以下列出其在生物学和医学方面的主要应用领域：
1. 分子马达类蛋白（Molecular motors）。涵盖肌浆球蛋白、动力原蛋白、F1旋转马达
2. DNA的复制过程
3. 酶化反应过程
4. 蛋白质动力学
5. 蛋白质折叠
6. 细胞内信号传递
7. 细胞鞭毛的机制
8. 有丝分裂中的染色体操纵
9. 染色体切割
10. 受控细胞融合
为了使光阱获得较好的捕获力，我们有必要从理论上研究影响光阱中粒子受力的因素。
参考文献
[1] Volakis JL, Chatterjee A, Kempel LC. Finite element method for ele- ctromagnetics : antennas, microwave circuits, and scattering appli- cations. New York : IEEE, 1998
[2] White DA. Numerical modeling of optical gradient traps using the vetor finite element method. J Comput Phys Vol.159(2000): 13-37
[3] Taflove A. Computational electrodynamics----the finite difference time --domain method. Boston : Artech House , 1995
[4] Wriedt. T. Electromagnetic scattering programs.http://www. t-matrix.de/
[5] Flatau PJ.SCATTERLIB.http://atol.ucsd.edu./~pflatau/scb/scatterlib.htm
[6] Daniel A. White .Vector finite element modeling of optical tweezers
Comp.Phy.Comm Vol.128 (2000)
[7] T.A.Nieminen.Numerical modelling of optical trapping.Comp.Phy. Comm Vol.142(2001). 468
[8] [美]Weng Cho Chew 著， 聂在平，柳清伙 译， 非均匀介质中的场与波， 电子工业出版社,1992年
[9] P. Zemanek , Optical trapping of Rayleigh particles using a Gaussian standing wave , Optics Comm. Vol.151(1998) 273—285
[10] Yasuhiro Harada，Toshimitsu Asakura. Radiation forces on a dielectric
Sphere in the Rayleigh scattering regine. Optics Communications
Vol.124(1996) 529-541
[11] A.Doic,T.Wriedt.Plane wave spectrum of electromagnetic beams Optics Comm. Vol.136(1997) 114-124
[12] M.I.Mishchenko, J.W.Hovenier, and L.D.Travis, eds., Light Scattering by Nanspherical Particles:Theory,Measurements,and Applications (Academic,San Diego,Calif.,1999)
[13] D.A.Warshalovich,A.N.Maskalev,and V.K.Khersonsii,Quantum Theory of Angular Momentum (World Scientific,Singapore,1988)
摘要
Chybeshev粒子的散射理论在天体物理学、光学、军事科学以及其它领域都有广泛的应用。在地球和其行星大气中的气溶胶和云中粒子的形状千差万别，一般情况下总是将粒子作为球体来处理，必然会带来各种误差，粒子非球形性使大气辐射传输的精确计算遇到了很大的困难。因此研究Chybeshev粒子光散射特性在环境监测、大气遥感、烟幕消光机理、通信、以及目标探测等方面具有非常里要的意义。
本文讨论了计算各种粒子在光阱中受力的计算方法。选择T矩阵的方案，论述了其原理，并利用其计算了回转椭圆体、圆柱体、Chybeshev粒子和一般性的Chybeshev粒子的散射场。在入射光为高会聚型高斯光束的情况下，计算了球状的粒子的受力，考虑了光腰位置和粒子半径对小球受力的影响。
关键字：Chybeshev粒子；光散射；特性分析
第一章
引言
近年来单分子探测技术（single molecule detection (SMD)）的发展开辟了生命科学的新领域。在对生物分子的宏观观测中，单个生物分子的动态特性和分子核心组织的运作机制被平均化，因而得不到单个生物分子的动态特性信息。随着近代物理特别是光学技术和生物技术的发展，生物单分子探测已成为可能，单分子探测技术则可以快速实时的记录单个生物分子的动态行为，将生命科学研究提高到更高的层次。
单分子探测包括单分子成像和单分子操纵。常用的单分子操纵工具有微针（glass-microneedle）,光镊（optical tweezers）和原子力显微镜（AFM）。采用这些技术可以精确的操纵单分子和探测单分子的动态行为。
由于光镊可以非接触、无损伤地操纵活体物质，并且其产生的皮牛顿（10-12N）量级的力适合于生物细胞、亚细胞以及生物大分子的力学性质的研究。所以光镊系统越来越广泛地应用于生物学领域，并显示出强大的生命力。
用高数值孔径的物镜把激光光束会聚成达到衍射极限的光斑，从而形成很大梯度的不均匀场。在焦点附近梯度力大于散射力从而介质小球受的力指向光强最大处：这就是单光束实心光镊。其示意图如图1-1所示。
图1-1 典型光镊系统的示意图
在该领域的先驱是AT&T(Bell) 实验室的A.Ashkin。1970年，通过一束会聚的激光，Ashkin成功的束缚住微小粒子例如几微米大小的聚苯乙烯小球。1978年Ashkin提出了单光镊梯度力势阱的方案。1986年Ashkin等人把单束激光引入高数值孔径的物镜形成了一个三维梯度场，并证明了这种光镊可以无损伤地操纵活体物质。
在光镊系统中引入多光束则可以实现多个光阱，从而实现对多个微粒或生物分子的操控。采用一般化相衬法（generalised phase contrast）或者计算机生成全息图（computer-generated holograms（CGH））可以高效率地产生多光束，从而实现对多达数百个微粒或者生物分子的操控。
光镊还可以与许多其它的工具相结合。一个典型的例子是光镊与结合激光剪刀（laser scalpel）。激光剪刀比光镊更早问世。人们利用一束激光经过显微镜聚焦成微米量级的光点作用与细胞，就可以如生理学家那样通过损伤或者改变某一结构来研究细胞了。这种特异的光束能在不损伤细胞外部的情况下，穿入一个细胞或者一个细胞器官在内部实现手术，而决不像传统手术刀那样在到达手术部位的路径上把细胞统统切开，人们把这种紫外激光微束称为激光解剖刀。
光镊与光谱技术的结合可用于识别单分子的化学成分。从单粒子的化学成分的识别的角度研究单粒子无疑是极具吸引力的，例如研究单粒子的组成元素，结构和构造从而揭示在很小的空间尺度上的分子的行为。光镊可以与电化学仪器（electrochemistry）、荧光光谱仪（fuorescence pectroscopy）、拉曼光谱仪（raman spectroscopy）一起使用。
能灵活的研究生物分子的动态特性的本领使得光镊的应用几乎涵盖所有的生物学领域。以下列出其在生物学和医学方面的主要应用领域：
1. 分子马达类蛋白（Molecular motors）。涵盖肌浆球蛋白、动力原蛋白、F1旋转马达
2. DNA的复制过程
3. 酶化反应过程
4. 蛋白质动力学
5. 蛋白质折叠
6. 细胞内信号传递
7. 细胞鞭毛的机制
8. 有丝分裂中的染色体操纵
9. 染色体切割
10. 受控细胞融合
为了使光阱获得较好的捕获力，我们有必要从理论上研究影响光阱中粒子受力的因素。
参考文献
[1] Volakis JL, Chatterjee A, Kempel LC. Finite element method for ele- ctromagnetics : antennas, microwave circuits, and scattering appli- cations. New York : IEEE, 1998
[2] White DA. Numerical modeling of optical gradient traps using the vetor finite element method. J Comput Phys Vol.159(2000): 13-37
[3] Taflove A. Computational electrodynamics----the finite difference time --domain method. Boston : Artech House , 1995
[4] Wriedt. T. Electromagnetic scattering programs.http://www. t-matrix.de/
[5] Flatau PJ.SCATTERLIB.http://atol.ucsd.edu./~pflatau/scb/scatterlib.htm
[6] Daniel A. White .Vector finite element modeling of optical tweezers
Comp.Phy.Comm Vol.128 (2000)
[7] T.A.Nieminen.Numerical modelling of optical trapping.Comp.Phy. Comm Vol.142(2001). 468
[8] [美]Weng Cho Chew 著， 聂在平，柳清伙 译， 非均匀介质中的场与波， 电子工业出版社,1992年
[9] P. Zemanek , Optical trapping of Rayleigh particles using a Gaussian standing wave , Optics Comm. Vol.151(1998) 273—285
[10] Yasuhiro Harada，Toshimitsu Asakura. Radiation forces on a dielectric
Sphere in the Rayleigh scattering regine. Optics Communications
Vol.124(1996) 529-541
[11] A.Doic,T.Wriedt.Plane wave spectrum of electromagnetic beams Optics Comm. Vol.136(1997) 114-124
[12] M.I.Mishchenko, J.W.Hovenier, and L.D.Travis, eds., Light Scattering by Nanspherical Particles:Theory,Measurements,and Applications (Academic,San Diego,Calif.,1999)
[13] D.A.Warshalovich,A.N.Maskalev,and V.K.Khersonsii,Quantum Theory of Angular Momentum (World Scientific,Singapore,1988)
目录
摘要 3
第一章 引言 4
第二章 计算Chybeshev粒子光散射特性的方案比较与选择 6
2.1光散射的产生原理 6
2.2光阱力的构成 6
2.3粒子受力计算方案 7
第三章 T矩阵算法的实现 14
3.1 Chybeshev粒子光散射特性的分解 14
3.2用扩展边界条件法计算T矩阵 17
第四章 计算光阱中的Chybeshev粒子散射情况 26
4.1散射场的计算 26
4.2力的计算 31
致谢 33
参考文献 34