局域空心光束的产生及其在粒子操控方面的应用

发布时间：2017-06-02 00:01

  本文关键词：局域空心光束的产生及其在粒子操控方面的应用，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：空心激光束(在传播方向上中心光强为零)是通过激光整形技术得到的一类新型激光束。空心激光束存在许多新颖又独特的物理特性,比如桶状光强分布、螺旋波阵面、中心相位奇异、具有自旋角动量和轨道角动量、暗斑尺寸小以及无加热效应等。正是这些新颖的物理特性使得空心激光束在激光冷却和囚禁、光学镊子、微观粒子(生物细胞、原子、分子和电介质粒子等)操控等方面发挥了巨大潜能且应用前景广阔,因此空心激光束引起了众多科研工作者的关注。而在空心激光束中有一类强度分布更加特殊的种类引起了更多的关注,这类空心激光束在传播方向上存在着光强极小甚至为零的三维封闭区域,该区域的周围是高强度的光场,像一个特殊的密闭容器,我们称这类激光束为局域空心激光束。本文提出了三种产生局域空心激光束的方案：第一种方案是采用单模光纤,环形二元相位板和微透镜组成的光束整形系统产生亚微米局域空心激光束。跟据瑞利-索莫菲衍射理论,我们数值计算了微透镜焦平面附近的光场强度分布,并分别详细研究了空心激光束的暗斑尺寸与单模光纤模场半径和微透镜焦距的关系。数值计算结果表明：在微透镜焦平面附近光场分布近似对称,在焦点处场强近似为零,周围场强逐渐增大,形成半径约为0.4μm的三维封闭的球形空心光场区域,即亚微米局域空心激光束。当局域空心激光束为蓝失谐时,光场中的原子将被囚禁在光场最弱处。若加上泵浦光,原子将受到蓝失谐局域空心激光束与泵浦光共同激发的强度梯度Sisyphus冷却。我们利用该方案产生的亚微米局域空心激光束构建单原子的囚禁与冷却器件,并以单个87Rb原子为例,利用Mont-Carlo方法研究亚微米局域空心激光束中单原子囚禁与强度梯度冷却的动力学过程,结果表明利用该器件可以获得温度在5.8μK量级的超冷单原子。第二种方案是基于非线性晶体的非线性效应对激光束的相位调制作用,将入射高斯激光束整形为局域空心激光束。我们主要研究了高斯激光束基于非线性晶体ZnSe的非线性效应实现局域空心激光束的基本原理,以及光学系统基本参数对产生的局域空心激光束的参数的制约作用。跟据惠更斯-菲涅尔衍射理论,我们数值计算了局域空心激光束在自由空间沿着z轴传播时不同位置处的光场强度分布以及传输特性,同时还研究了入射高斯激光束的束腰半径对局域空心激光束参数的影响。数值计算结果表明束腰半径的大小不仅影响局域空心激光束的暗斑尺寸的大小,还制约着局域空心激光束的势阱深度。该方案产生的局域空心激光束在原子(分子)的冷却囚禁等应用方面提供了新的工具。第三种方案实验研究了基于圆孔衍射的局域空心激光束的产生。我们首先分析了高斯激光束通过圆孔衍射的理论,并根据瑞利-索末菲衍射理论数值计算了经圆孔衍射后的高斯激光束在自由空间沿着z轴的传播特性,计算结果表明衍射光束在自由空间传播时z轴上存在一系列的光场强度的极大值和极小值,亦即存在一系列明暗区域。然后我们在实验上对基于圆孔衍射产生的局域空心激光束进行了验证,实验观测结果与理论数值计算结果基本吻合。本文还介绍了粒子分离操控的主要方法,并简述了中性分子囚禁的主要方法：静电囚禁、静磁囚禁、激光囚禁以及磁光囚禁。然后我们讨论了基于单模光纤产生的局域空心激光束在冷分子光学的应用,以分子光阱为例,数值计算了02分子在局域空心激光束焦点位置处光学势的横向分布及02在焦点位置处横向平面上的光学偶极力分布,计算结果表明分子在蓝失谐局域光阱中所受到的偶极力指向光场强度最弱的地方,分子在光场中运动时,被三维囚禁在局域空心光场中,局域空心激光束可被用作空心光阱,对分子进行操控。
【关键词】：局域空心光束 单模光纤 非线性晶体 圆孔衍射 粒子操控
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN24
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 综述：空心激光束、局域空心激光束概述12-36
• 1.1 引言12-13
• 1.2 空心激光束发展概述13-28
• 1.2.1 空心激光束的产生方法13-23
• 1.2.2 空心激光束的理论模型23-28
• 1.3 局域空心光束产生方法28-35
• 1.4 本文的研究工作35-36
• 第二章 基于单模光纤的局域空心激光束的产生及单原子在其中的强度梯度冷却36-51
• 2.1 基于单模光纤的局域空心激光束的产生方案36-39
• 2.2 数值计算结果分析与讨论39-45
• 2.3 亚微米蓝失谐局域空心激光束中单原子强度梯度冷却可行性分析与讨论45-50
• 2.4 本章小结50-51
• 第三章 基于非线性晶体ZnSe的大尺寸局域空心激光束的产生及其传输特性的理论研究51-61
• 3.1 基于非线性晶体ZnSe的大尺寸局域空心激光束的产生方案51-54
• 3.2 数值计算结果分析与讨论54-60
• 3.3 本章小结60-61
• 第四章 基于圆孔衍射实现局域空心激光束的实验研究61-73
• 4.1 采用圆孔衍射实现局域空心激光束的理论基础61-66
• 4.2 采用圆孔衍射产生局域空心光束的实验结果66-72
• 4.3 本章小结72-73
• 第五章 局域空心激光束在粒子操控方面的应用73-83
• 5.1 粒子分离操控的主要方法73-76
• 5.2 中性分子的囚禁方法76-79
• 5.2.1 中性分子的静电囚禁76-77
• 5.2.2 中性分子的静磁囚禁77
• 5.2.3 中性分子的激光囚禁77-78
• 5.2.4 中性分子的磁光囚禁78-79
• 5.3 基于单模光纤产生的局域空心激光束在冷分子光学中的应用79-82
• 5.4 本章小结82-83
• 第六章 总结与展望83-86
• 参考文献86-92
• 发表论文目录92-93
• 致谢93

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本文编号：413750