矢量涡旋光束聚焦整形及光镊受力研究
发布时间：2021-11-21 10:58
随着对于光学认知的不断加深,如何以一种更加灵活有效的方式操控光场正逐渐成为一个新的研究热点。作为光的两个基本属性,振幅和相位在光场的空域调控中已经得到了充分的研究和利用。而偏振态作为描述光矢量性质的另一个重要参量,直到矢量光束的概念提出以后才得到足够的关注。所谓矢量光束实际上就是一种在光束截面上具有非均匀偏振态（states of polarization,So Ps）分布的结构化光场,因此和传统的标量光束（即均匀偏振光场,包括线偏振、圆偏振和椭圆偏振光）相比具有许多独特的性质。尤其是在紧聚焦条件下,聚焦场的空间分布极大地依赖于入射偏振。矢量光束丰富多变的So Ps可以为高度局域聚焦电磁场的定制提供更加灵活的自由度,也因此产生更多拥有巨大应用潜力的新颖现象。作为另一种结构化光场,涡旋光束由于具有空间变化的相位分布和确定的光子轨道角动量,近年来同样引起了科研人员的广泛关注。通过结合两种新型光场的结构特点,本论文围绕矢量涡旋光束的聚焦调控以及聚焦光场在光镊中的应用进行了系统的理论研究。具体研究内容如下:1.通过推导一束线偏振平面波入射时对应的聚焦电磁场表达式,对本论文的研究基础Richar...
【文章来源】：山东理工大学山东省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
几种标量光束和矢量光束对应的偏振及强度分布
山东理工大学硕士学位论文第一章绪论3（orbitalangularmomentum，OAM）。1992年，Allen等人首次证明了具有螺旋相位因子exp(ilφ)的涡旋光束，对应每个光子都将携带大小为l的OAM[17]。这种新的角动量形式不仅独立于光子的自旋角动量（spinangularmomentum，SAM），并且可以比SAM大得多[18]。图1.2涡旋光束的波前、相位及强度分布Fig.1.2Wavefront,phase,andintensitydistributionsofvortexbeams
山东理工大学硕士学位论文第一章绪论5力总是沿着光束的传播方向，其效果是将颗粒沿着光轴推离聚焦区域，这部分力对应光的辐射压力，或者称为散射力。显然，要想实现颗粒稳定的三维捕获，还必须提供一个和光束传播方向相反的作用力来平衡轴向散射力，这一部分力称为梯度力，主要是由颗粒对光的折射作用引起的。在这里，我们可以借助几何光学模型来阐明梯度力的作用。假设有一个均匀透明的介质小球（dλ）位于高斯分布的非均匀聚焦光场中，并且小球的折射率高于背景介质的折射率。如图1.3（a）所示，当小球的重心位于几何焦点（拥有最大强度）的正下方时，入射光线1和2在经过小球的多次折射后，对应出射光线的传播方向相对于入射光线更加趋向于光轴。如果不考虑此时对光的反射作用，那么光线的轴向动量就会增加，因此小球会相应地受到一个指向光轴负方向的作用力，这就是轴向梯度力的由来。同理，如图1.3（b）所示，当小球的重心位于几何焦点的正上方时，入射光线1和2在经过小球的多次折射后，对应出射光线的传播方向相对于入射光线更加远离光轴，导致光线的轴向动量减弱，进而小球会受到一个指向光轴正方向的作用力。特殊的，当小球的重心和几何焦点存在一定的横向位移时，如图1.3（c）所示，由于小球左右两侧的强度分布不均匀，小球会受到一个指向光轴的作用力，即横向梯度力。图1.3在光镊系统中作用在高折射率透明小球上的梯度力示意图Fig.1.3Theschematicofthegradientforcesactingonatransparentsmallspherewithhigherrefractiveindexthanambientinopticaltweezers.
【参考文献】：
期刊论文
[1]Enhancing plasmonic trapping with a perfect radially polarized beam[J]. XIANYOU WANG,YUQUAN ZHANG,YANMENG DAI,CHANGJUN MIN,XIAOCONG YUAN. Photonics Research. 2018(09)
本文编号：3509384
【文章来源】：山东理工大学山东省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
几种标量光束和矢量光束对应的偏振及强度分布
山东理工大学硕士学位论文第一章绪论3（orbitalangularmomentum，OAM）。1992年，Allen等人首次证明了具有螺旋相位因子exp(ilφ)的涡旋光束，对应每个光子都将携带大小为l的OAM[17]。这种新的角动量形式不仅独立于光子的自旋角动量（spinangularmomentum，SAM），并且可以比SAM大得多[18]。图1.2涡旋光束的波前、相位及强度分布Fig.1.2Wavefront,phase,andintensitydistributionsofvortexbeams
山东理工大学硕士学位论文第一章绪论5力总是沿着光束的传播方向，其效果是将颗粒沿着光轴推离聚焦区域，这部分力对应光的辐射压力，或者称为散射力。显然，要想实现颗粒稳定的三维捕获，还必须提供一个和光束传播方向相反的作用力来平衡轴向散射力，这一部分力称为梯度力，主要是由颗粒对光的折射作用引起的。在这里，我们可以借助几何光学模型来阐明梯度力的作用。假设有一个均匀透明的介质小球（dλ）位于高斯分布的非均匀聚焦光场中，并且小球的折射率高于背景介质的折射率。如图1.3（a）所示，当小球的重心位于几何焦点（拥有最大强度）的正下方时，入射光线1和2在经过小球的多次折射后，对应出射光线的传播方向相对于入射光线更加趋向于光轴。如果不考虑此时对光的反射作用，那么光线的轴向动量就会增加，因此小球会相应地受到一个指向光轴负方向的作用力，这就是轴向梯度力的由来。同理，如图1.3（b）所示，当小球的重心位于几何焦点的正上方时，入射光线1和2在经过小球的多次折射后，对应出射光线的传播方向相对于入射光线更加远离光轴，导致光线的轴向动量减弱，进而小球会受到一个指向光轴正方向的作用力。特殊的，当小球的重心和几何焦点存在一定的横向位移时，如图1.3（c）所示，由于小球左右两侧的强度分布不均匀，小球会受到一个指向光轴的作用力，即横向梯度力。图1.3在光镊系统中作用在高折射率透明小球上的梯度力示意图Fig.1.3Theschematicofthegradientforcesactingonatransparentsmallspherewithhigherrefractiveindexthanambientinopticaltweezers.
【参考文献】：
期刊论文
[1]Enhancing plasmonic trapping with a perfect radially polarized beam[J]. XIANYOU WANG,YUQUAN ZHANG,YANMENG DAI,CHANGJUN MIN,XIAOCONG YUAN. Photonics Research. 2018(09)
本文编号：3509384
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