拉盖尔-高斯光束是典型的涡旋光束,光束的轨道角动量会传递给微粒使其产生轨道运动。本文利用T矩阵方法和麦克斯韦应力张量积分计算了强聚焦线偏振拉盖尔-高斯光束对球形粒子的捕获力,并着重分析了粒子半径和光束阶数对微粒在涡旋聚焦场中运动状态的影响。当光束阶数一定时,随着微粒半径的增大,轨道运动的轨迹会逐渐缩小。当粒子半径大于临界值时,就会被捕获到光轴上,且无法进行轨道运动。但是,离轴捕获的粒子受到的轴向捕获力比轴上捕获的要小一个量级,需要施加足够的入射光功率以维持稳定的轨道运动。

本文用射线光学的方法计算了球形微粒在微纳光纤涡旋倏逝场中的受力,并研究了微粒与微纳光纤表面之间的距离、微粒半径和微纳光纤半径对微粒受力的影响。微粒在梯度力的作用下被捕获到微纳光纤表面,同时在散射力的作用下沿微纳光纤中光束传播的方向绕光纤螺旋状运动。离光纤表面距离越远,微粒受到的光辐射压力越小。当微纳光纤半径不变时,微粒的径向捕获效率、沿光轴的传输和绕光纤的转动可分别通过微粒的半径来优化; 而当微粒半径不变时,可分别通过微纳光纤半径来优化。

针对用于喷墨打印的圆管式压电喷头建立了计算模型, 并且根据它的驱动特点选择了合适的边界条件。介绍了仿真软件针对自由表面流动问题的计算原理。然后, 以乙二醇水溶液为例, 计算了压电喷头分配该溶液的分配过程; 利用液滴成像系统获取了不同时刻的液滴图像, 验证了建立的模型和数值算法的正确性。最后, 计算了压电喷头在不同输入位移、不同黏度以及不同表面张力下的液体分配过程。仿真结果显示: 液体分配性能与激励位移密切相关, 在72.5 mN/m的表面张力作用下, 10 nm的输入位移很难分配黏度为4.0 mPa·s 的液体, 而15 nm的输入位移在分配黏度为4.0 mPa·s 液体时却能够产生卫星液滴。因此, 对于某种液体寻找一个合适的激励条件非常重要, 过小的激励产生不了液滴, 过大的激励则会产生较大甚至多个卫星液滴; 增大黏度会延缓或阻滞液滴形成过程, 增大表面张力却能加快液滴形成过程。本文的计算方法对于研制新式喷头或者研究喷头的喷射能力均具有指导意义。

研制了滤光轮分光的近红外彩色成像系统。针对一款光谱响应延伸至近红外波段的CMOS大面阵黑白摄像机, 设计加工了大小适合的滤光轮和与光谱匹配的滤光片。根据滤光轮载荷选择了微型电机, 并采用由时间同步装置产生的脉冲信号触发滤光轮的转停; 采用基于灰度世界理论的RGB融合算法形成彩色图像。室内外的成像实验表明: 该系统实现了近红外波段的彩色成像, 尤其是夜天光中的近红外辐射, 使夜间拍摄的图像亮度得到了明显的提升。

设计了一种能够自动、快速、精确地分离和提取指定细胞群或单个细胞的微操作机器人系统,研制了基于功率超声振动原理的微切割工具(其切割频率在15～50 kHz,振动幅值在0～1μm可调)和真空吸附式微拾取工具(压力可在0～0.5 MPa精确控制),应用人体肝脏组织5μm厚病理石蜡切片进行了显微切割的实验.实验结果证明了超声振动式切割工具对组织无伤害,真空吸附工具收集样品有效且整体系统适应于生物工程中微切割操作的实验需求,具有较高的可靠性、稳定性和准确性.

将超声振动切割引入生物显微操作领域,提出压电超声振动微切割理论.基于此理论,为满足实际操作中不同显微切割样本对不同切割能量即不同振动频率和振动幅值调整的需求,利用叠堆压电陶瓷作为超声发生装置,研制了面向生物显微操作的微切割工具及其驱动与控制系统.该显微切割工具操作频率0.5～40 kHz,振动输出位移0～2 μm.最后,针对肝脏组织病理切,利用该显微切割工具进行超声振动显微切割实验,获得了较好的切割效果,充分验证了生物组织切片超声振动显微切割可行性.该显微切割工具的研制为生物显微切割操作系统的研究开发提供了技术保证.