基于光子晶体结构的光学牵引力研究

发布时间：2020-07-19 09:48

【摘要】：光学力起源于光与物质的相互作用中的动量交换,利用光学力可以实现对物体的非接触操控。阿瑟?阿什金教授凭借其提出光镊技术并推动其在生物学中的应用而分享了2018年诺贝尔物理学奖。光学牵引力是近年来光力领域的一个研究热点,这一反直觉的光力效应不仅为光操控提供一个新的维度,并且对于更深层次地理解光与物质相互作用具有重要价值。以往人们对牵引光力的研究大多在均匀背景介质中进行,而本文则是在光子晶体周期背景中开展研究。论文提出了两种实现光学牵引力的新机制,并建立三种光子晶体模型,使用(时域有限差分算法)FDTD对其进行了理论和数值模拟的验证。首先,提出利用支持凹形色散的背景结构实现光学牵引力。建立满足这种特殊色散关系的光子晶体结构,光子晶体内部光场动量的大小与其传播方向密切相关,即沿主轴方向传播光场动量最小,而当其偏离主轴方向时动量急剧增加。根据这一物理机理,在沿主轴传播光束的路径上设置一个散射体,使光束向两侧散射且抑制向后的反射,就会实现散射光动量沿光传播方向的增加,根据线动量守恒,物体受到一个指向光源的后向牵引力。接下来,提出利用光子晶体通道支持的无衍射传播模式实现光学牵引力,包括单通道自准直模以及线缺陷波导模。在这些模式的作用下,光子晶体通道内放置的电介质物体内部会形成较强的局域光场梯度,光学梯度力使得物体朝向光场最强处运动,而光强最大的区域始终处于物体前方,由置于通道中的物体诱发形成,因此可形成连续的光学牵引力。根据布洛赫原理,能够解释该牵引力的周期振荡特性。同时,两种模式中的光学牵引力都对光源入射角不敏感,且横向恢复力能够将物体捕获在通道中心位置上,为长距离稳定操控物体提供了条件。综上,本论文提出了两种基于不同物理机制实现光学牵引力的方法,并且在三种不同的光子晶体结构中得到了验证,为实现光学牵引力研究提供了新的思路。最后,这项研究工作有助于研究光-物体-背景介质的动量转换关系,为调制光学力提供一个新的自由度,并且有助于更深层次地探究光的本质和光与物质相互作用的物理内涵。
【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】：2019
【分类号】：O734
【图文】：

哈尔滨工业大学理学硕士学位论文使用贝塞尔光束，Chen 等人在 Nature Photonics 上发表重要论文[16]，贝塞尔光束实现了操控聚苯乙烯小球（2rε = 1.59和，小球在一定的尺寸条件下将会受到一个指向光源的越大越易产生负力，当粒子尺寸接近几何光学的极限这是由于贝塞尔光束照射到小球上会产生一个多级干定条件下会使得散射光沿着光轴方向的前向散射动量，物体会受到一个指向光源的力。黑色曲线代表着在到稳定的横向力。这项工作对于光学牵引力的研究具

聚苯乙烯小球在非傍轴贝塞尔光束照射下的受力情况

利用贝塞尔光束在长距离上实现光学牵引力[40]

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3 吴e

本文编号：2762251