基于人工电磁表面的左手力矩的研究

发布时间：2020-04-04 20:47

【摘要】：自从光镊技术发明以来,光学操控在原子物理、光学和生物科学等科学领域有着广泛应用。伴随着纳米技术的飞速发展,光学操控在亚波长和纳米尺寸微粒的应用取得了显著进步。利用光力可以实现光学俘获、光学束缚、光学选矿和光传输等功能。在过去的十年中,已经提出了诸多光束和纳米级器件,以越来越精确、稳定和灵活的方式机械地作用于纳米颗粒。对光学力的研究有助于揭示光相互作用的本质,在各种科学领域和日常生活中具有相当大的潜在应用。光致旋转是光学操控的一个重要研究方向,本文通过人工电磁表面结构实现光致旋转,设计应用于近红外、可见光和微波波段的人工电磁表面,对光学力矩进行计算分析,实现满足左手效应的力矩现象。首先,本文对光致旋转的实现进行分析,利用光子的线性动量、自旋角动量和轨道角动量可产生光学力矩,给出用Maxwell应力张量对光学力矩的计算方法。通过对人工电磁表面相关理论的介绍,提出基于人工电磁表面的左手力矩理论,给出左手力矩的实现方法。本文提出电介质结构和双层开口金属环结构人工电磁表面,分析相位突变单元的设计原理,设计出应用于近红外、可见光和微波波段的半波片单元结构,能够将圆极化入射波转换为其交叉极化。利用单元结构的空间排布,构造产生不同轨道角动量涡旋波束的人工电磁表面。最后,通过仿真计算空间电磁场的分布,利用Maxwell应力张量计算得出光学力矩的数值。仿真结果表明,不同轨道角动量数下的光学力矩呈线性关系,与理论分析吻合,完成基于人工电磁表面的左手力矩实现。本文为左手力矩的产生提供重要的理论依据,为光致旋转领域的进一步发展做出贡献。
【图文】：

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c) 纵向力和径向力与辐射距离的关系 d) 聚苯乙烯粒子被 s 极化波束分散图 1-1 负光学力[27]对于远小于波长的磁性电介质物体，传播方向上的光力可以由公式（1-1）表示。( ) ( ) ( ) ( ) ( )42 20Im Im Re Re Re2 12z e i m i e m zkF E H pc + (1-1)式中 ——波矢量的纵向分量；e ,m ——电场（磁场）极化度；给出zp 的计算公式：( )*z z i ip e E H(1-2)从公式（1-2）中可以看出一个负力需要一纵向很小的波矢量和一个正向很大的，也就是在传播方向上有很小的输入光子动量和一个很大的输出动量。同时，由于辐射多极的干扰，沿着传播方向的散射可以最大化[27]。然后光学力可以拉动物体，，见图 1-1 b)。时间平均光学力可以分为入射项和干涉项。来自

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已经实现了牵引波束的实验。Lee 等人使用光电螺线管来捕捉并移动胶体二氧化硅球体抵抗光传播的方向。电磁波束对物体施加强度梯度和相位梯度力。通过交替独立的螺旋相分布，物体可以在下游传输逆行到上游很长一段距离。类似地，光学输送机的双向传输是通过改变贝塞尔光束的相对相位来实现的。这种牵引光束具有即使在多个物体上也以均匀的速度施加稳定捕获的能力。由单个高斯波束的干涉产生的牵引波束及其反射也显示出拉动效应。可以通过在 s 和 p 偏振光束之间切换来分选不同尺寸的粒子，如图 1-1 d)所示。a) Ag 纳米粒子不同极化波下的排列 b) Ag 纳米粒子在相干光下排成链状
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;O441

【参考文献】