涡旋矢量光束与微粒相互作用的动力学特性研究
发布时间：2020-07-01 21:32
【摘要】：随着激光技术和相关科学的发展进步,光场调控技术受到了越来越多的关注。通过对光场基本参量——频率、振幅、相位以及偏振态等进行调控,产生了一系列具有新颖特性的特殊模式光场,被广泛应用于光通信、光学微加工、光学显微以及光学微操纵等领域。光不仅具有能量还携带动量,与物质相互作用过程中既存在能量的传递又伴随着动量的转移,势必会发生力学作用。自从1970年美国贝尔实验室的Ashkin等人开创性地利用激光对悬浮微粒进行捕获和移动以来,光学微操纵技术——一项利用紧聚焦激光光束所产生的力学效应来操控几纳米到几百微米量级微粒的技术,以其独特的非接触、无损伤和高精度等操控优势已广泛应用于现代科学研究的各个领域,特别是生物学、物理学、化学以及医学等领域。特殊模式光场与微粒相互作用时会表现出一些特殊的现象和效应,因此,研究各种特殊光场与微粒相互作用是近年来国内外光学微操纵研究领域的新热点。本论文通过调控光场的相位和偏振自由度,围绕涡旋矢量光束的聚焦特性及其与微粒相互作用的动力学特性,主要完成了以下工作:1.建立了一套特殊模式光场聚焦场和微粒所受光力和光力矩的计算方法和程序。采用非傍轴近似下的Richards-Wolf矢量衍射理论计算聚焦场的分布,以弥补标量衍射理论在紧聚焦情况下的不足;应用严格的电磁场散射模型-T矩阵方法计算粒子周围的散射场,大大减小了计算量和适用于求解各种粒子的散射问题;利用动量和角动量守恒及对时间平均的麦克斯韦应力张量积分来计算作用在微粒上的光力和光力矩,从而保证数值计算的准确性。2.提出了一种沿横向(垂直光轴方向)操纵微粒旋转的手段——横向自旋。传统的圆偏振光束具有纵向自旋角动量,导致粒子沿光轴方向自旋,而柱矢量光束的焦场具有可观的横向自旋角动量,能驱动粒子沿横向(介于径向和角向之间)自旋,使得沿非光轴方向旋转粒子成为可能,增加了光操控额外的旋转自由度。进一步,提出采用一类偏振态角向变化的矢量光束来操纵微粒,该光束形成花瓣状聚焦光场,携带纯的横向自旋角动量,能同时捕获多个粒子并驱动粒子沿角向自旋。3.分析了各种偏振涡旋光束中微粒的轨道运动形式。涡旋光束携带轨道角动量,与粒子相互作用时可驱动粒子做轨道运动。对涡旋光束加以不同的偏振态调制,将产生不同的光致旋转特性。圆偏振、径向偏振和方位角偏振涡旋光束可驱动粒子做均匀轨道旋转;而线偏振涡旋光束会导致粒子非均匀的轨道运动;轨道运动的方向由拓扑荷的符号决定;且每种偏振涡旋光束都存在一个最优的拓扑荷以获得最大的轨道矩。4.研究了不同偏振涡旋光束中微粒的自旋运动情况。由于聚焦作用涡旋光聚焦场还携带自旋角动量,粒子同时存在自旋运动。圆偏振、径向偏振涡旋聚焦场中,粒子绕光轴做轨道运动的同时还做非轴向(介于角向和轴向之间)的自旋运动,自旋的方向由拓扑荷的符号和偏振态共同决定。此外,还研究了粒子在正负阶涡旋叠加的双涡旋光束中的运动情况,直观上认为这种混合光场的轨道角动量相互抵消,不将驱动粒子旋转。但结果表明该光束聚焦场携带自旋角动量,能诱导粒子产生轴向或横向自旋。5.揭示了非球形微粒在各种偏振光束中的稳定存在形式。旋转椭球体作为最简单的非球形几何体可以模拟实际光学微操纵中的大量不规则形状粒子。通过对旋转椭球粒子的三维空间取向分析以及对光场的偏振特性研究,发现各种偏振光束聚焦场不但能稳定捕获椭球粒子,还能很好地控制粒子的取向。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O43
【图文】：
调控光场的频率属于时域调控，如光学频率梳，一把带有刻度的光学梳现对光学频率极其精密的测量，大大提高了测量的精准性，使光学原子成为了可能。另一方面，调控光场的空间参量振幅、相位和偏振属于空可将传统的基模高斯光束转换为新颖的空间结构光场，极大地增加了光的信息，展现出一系列的新效应和新现象。近年来，作为光学领域研究热点之一的光场空域调控受到了诸多研究者人们相继提出并实现了多种振幅、相位和偏振等具有特殊空间分布的新比如具有无衍射特性的贝塞尔(Bessel)光场[1]、螺旋相位的涡旋(vortex横向自加速的艾里(Airy)光场[3]、非傍轴自弯曲的马丢(Mathieu)光场[4意轨迹传输的类 Bessel 光场[5]，以及偏振态非均匀分布的矢量(vector等。这些特殊模式光场展现出诸多新颖的物理效应和现象，进一步拓技术的应用领域，被广泛应用于光通信[7]、光信息存储[8]、光学微加工显微[10]、光子弹[11]和光学微操纵[12]等领域。
奇点普遍存在，而物理学是研究奇点最深入的领域。1931 年，虑磁单极现象中，推断出一般的量子波函数在三维空间会存在相位奇点将奇点的概念引入到了物理场中[15]。1974 年，Nye 和 Berry 发现光场似于晶体中的“波前错位(wave-front dislocations)”现象，首次将奇点的到了电磁波领域[16]。Bryngdahl 和 Lee 最先提出在平滑波前的光波中相位奇点的想法[17]，这一构思为之后的发展奠定了基础。1979 年，VauWilletts 首次在激光腔内产生了带有相位奇点的光束[18]。1989 年，Coul究了较大 Fresnel 数的激光腔，发现具有螺线型相位分布的相位奇点光体中涡旋的状态类似，首次提出了“光学涡旋(optical vortices)”的概念[涡旋光束(vortex beam)是指携带了光学涡旋具有 exp(im )相位分布的光 m 为相位拓扑荷数， 为柱坐标系下的方位角。几种不同拓扑荷情况下的波前、相位和强度分布如图 1.2 所示，涡旋光束具有螺旋形的波前结面的方向依赖于拓扑荷的符号；中心是相位奇点，沿中心环绕一周相位
本文编号：2737285
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O43
【图文】：
调控光场的频率属于时域调控，如光学频率梳，一把带有刻度的光学梳现对光学频率极其精密的测量，大大提高了测量的精准性，使光学原子成为了可能。另一方面，调控光场的空间参量振幅、相位和偏振属于空可将传统的基模高斯光束转换为新颖的空间结构光场，极大地增加了光的信息，展现出一系列的新效应和新现象。近年来，作为光学领域研究热点之一的光场空域调控受到了诸多研究者人们相继提出并实现了多种振幅、相位和偏振等具有特殊空间分布的新比如具有无衍射特性的贝塞尔(Bessel)光场[1]、螺旋相位的涡旋(vortex横向自加速的艾里(Airy)光场[3]、非傍轴自弯曲的马丢(Mathieu)光场[4意轨迹传输的类 Bessel 光场[5]，以及偏振态非均匀分布的矢量(vector等。这些特殊模式光场展现出诸多新颖的物理效应和现象，进一步拓技术的应用领域，被广泛应用于光通信[7]、光信息存储[8]、光学微加工显微[10]、光子弹[11]和光学微操纵[12]等领域。
奇点普遍存在，而物理学是研究奇点最深入的领域。1931 年，虑磁单极现象中，推断出一般的量子波函数在三维空间会存在相位奇点将奇点的概念引入到了物理场中[15]。1974 年，Nye 和 Berry 发现光场似于晶体中的“波前错位(wave-front dislocations)”现象，首次将奇点的到了电磁波领域[16]。Bryngdahl 和 Lee 最先提出在平滑波前的光波中相位奇点的想法[17]，这一构思为之后的发展奠定了基础。1979 年，VauWilletts 首次在激光腔内产生了带有相位奇点的光束[18]。1989 年，Coul究了较大 Fresnel 数的激光腔，发现具有螺线型相位分布的相位奇点光体中涡旋的状态类似，首次提出了“光学涡旋(optical vortices)”的概念[涡旋光束(vortex beam)是指携带了光学涡旋具有 exp(im )相位分布的光 m 为相位拓扑荷数， 为柱坐标系下的方位角。几种不同拓扑荷情况下的波前、相位和强度分布如图 1.2 所示，涡旋光束具有螺旋形的波前结面的方向依赖于拓扑荷的符号；中心是相位奇点，沿中心环绕一周相位
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 孙玉芬,李银妹,楼立人;激光光阱中微粒的光致旋转[J];激光与光电子学进展;2003年10期
本文编号：2737285
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