基于导波模式转换的光学牵引力研究

发布时间：2020-08-19 13:44

【摘要】：光场具有动量,因此可对物体产生力学作用,即光压。通常光压的方向是沿光传播方向向前。近年来人们提出了一种非常反常的光学牵引力效应,即物体受到的光力与传播方向相反。这一新奇的现象及其背后深刻的物理机制迅速引起了人们的广泛关注和大量研究。与光学推力相比,牵引力可以将物体拉向光源,因此在一些无法推动的特殊环境中,为光操控提供了一个崭新的自由度,具有重要的理论和实际意义。然而,在目前的研究中,为了产生光学牵引力,人们不得不使用很复杂的光源或者是极其繁琐的结构,使得这种牵引力的产生条件非常苛刻,对其应用而言有着很大的困难。本文的研究目的就是在光学和流体的通道中寻找更简单、可操作性强的方法来实现光学牵引力。本文首先研究了二维多层平板波导结构中的光学牵引力特性,其中波导结构的中间芯层为水,两侧为高折射率硅,最外层为空气。其中利用解析的方法得到了五层平板光波导中的本征模式。将物体置于波导芯层中,利用时域有限差分方法研究了物体在不同阶次模式入射时物体对波导中传输模式的影响。结果表明,物体的散射效应导致了不同波导模之间的模式转换。根据动量守恒定律,当波导模式从低动量的模式经过物体后跃迁到高动量模式时,物体就有可能获得牵引力,反之就可以产生光学推力。利用麦克斯韦张量分析的方法定量计算了物体在不同情况下所受光力的值,得到了与动量守恒定律完全一致的结果。在二维多层平板波导结构的研究基础上,我们将推广到了三维矩形波导。波导芯层填充介质水,外层为高折射率硅,以及空气包覆层。利用数值模拟与理论分析相结合的方法,得到了三维矩形波导中的本征模式。利用时域有限差分方法求解了出现光学牵引力的基本条件,以横向稳定捕获条件,从而实现了三维结构中的稳定光学牵引。最后,我们针对介质结构中牵引光力幅值较小的缺点,提出了金属波导结构中的牵引光力增强的研究,使得牵引光力的幅值提高了5倍。本文所研究的牵引光力理论及实现方法在微流系统中光操控提供了新的方法和手段,具有重要的价值和意义。
【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】：O431
【图文】：

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图 1-1 单个激光束推动溶液中的颗粒[1]粒在光场中受到力的作用，如果能设计出恰当来操纵物体。当被操纵的颗粒的尺寸远小于入模型来分析颗粒所受的光力。理论上，可以使度力，即把处于光场中的粒子看成被极化了的光动量发生变化，并且由于动量的变化而产生辐射压力导致朝向波传播方向的散射力和朝向中，由于梯度力或由于梯度和散射力的平衡，粒子时，依赖于多个粒子之间的散射场的相干光可以推动一个物体向前运动。一个聚焦的光动和捕获的操作是对单个粒子进行现代光学操拉动粒子向光源靠近，可以称之为光学牵引力然地，由于动量传递的原因，这是不可能通过来实现。虽然简单的单个光源无法实现牵引力光源（如贝塞尔光束）或多个光源来将粒子拉

结构示意图,解读方式,小球,带电微粒

这些物质用常规的机械手段可能会导致不精确，构等问题。而利用光力的特性，可以更好的去操控微米对物体造成不希望的破坏。捕获和光学牵引力的发展概况外的相关研究现状磁场中，对不带电微粒受力的计算很早就出现了，但是有些计算方式可能难以计算或者不适用此种情况，而且人们研究了很多不同的模型来理论描述这种光力。比如于波长的情况 2008-2010 年，Patrick C. Chaumet，M. Niet研究了关于电磁场中小球受力的原理和公式，使用了偶极理方法。当作用在一个足够小的小球上时，即小球半径以表达成是电偶极影响，磁偶极影响和相互作用影响。该上，增加了新的解读方式。

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在参数合适时，可以让某一尺寸物体受到推动力，而另从而实现对物体的区别，或是将某一特定尺寸的物体从仅可以由高斯光束等特定的较复杂的光源产生，也可以但是需要有特定的结构来辅助产生有效的光力。2016 年[22]，使用如图 1-3 中所示结构，建立理论模型并用数值模十纳米左右的小球下，间隔十几纳米处使用一个银制平波，照射平板上的物体。可以观察到，物体可以受到水整入射波长，可以发现在其共振峰处可以有一个水平反光源的牵引力。可以看到在适当角度斜入射后（偏振方于金属表面产生的表面等离子波（SPP）导致增强了产生小球尺寸太大的话，就不在会有牵引力，只剩下推动力（在同种介质材料中，只改变入射角度并不会影响该现象变，只会影响具体力的大小。而改变背景环境后，峰值的材料也只会对力的大小有影响。

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