圆形艾里涡旋光的特性研究及其在微操控中的应用
发布时间：2022-10-09 17:41
光操控技术具有非接触、无损伤与高精度操控微小尺度粒子的特点,自发明以来被广泛应用于物理、化学、生物医学、材料等学科的前沿领域,同时各领域对其应用也提出了新的要求。相对于贝塞尔光束和高斯光束,圆形艾里涡旋光束具有独特的自聚焦特性。该光束应用于微粒操控时在焦点处具有更强的梯度力,能够提高粒子捕获的稳定性;同时其也能够绕开障碍物到达目标和推着粒子沿抛物线轨迹运动。因此,基于圆形艾里涡旋光的光镊技术能够极大地丰富和增强光学微操控的功能,可以弥补传统高斯光镊技术的不足,是近几年的一个研究热点。影响圆形艾里涡旋光微操控系统性能的关键问题包括圆形艾里涡旋光的产生、传输、深聚焦特性、微粒所受光学力、系统实现等。本文在对上述几个关键问题进行深入研究的基础上,搭建微粒操控系统,实现二氧化硅颗粒的捕获和旋转。主要研究内容和创新点包括以下四部分:（1）基于数字全息技术和空间光调制器,构建圆形艾里涡旋光的产生系统,实验研究并给出了圆形艾里涡旋光各参数对自聚焦、自修复特性的影响。结合数值仿真和实验研究了圆形艾里涡旋光在焦点处的光强分布、焦距与输入光的截止系数、尺度因子、第一主环半径、束腰半径及拓扑荷之间的关系;实...
【文章页数】：105 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.1.1 光镊的提出
1.1.2 全息光镊
1.2 国内外研究现状
1.3 本文的研究目标和内容
第二章 圆形艾里涡旋光的产生及传输特性研究
2.1 艾里光的基本理论
2.1.1 理想艾里光束简介
2.1.2 一维有限能量的艾里光束
2.1.3 二维有限能量的艾里光束
2.1.4 圆形艾里涡旋光束的理论基础
2.1.5 光的传输理论基础
2.2 艾里光的产生与传输特性研究
2.2.1 实验系统搭建
2.2.2 实验结果及分析
2.3 圆形艾里涡旋光的产生与传输特性研究
2.3.1 实验装置
2.3.2 圆形艾里涡旋光的自聚焦特性
2.3.3 圆形艾里涡旋光的奇点特性
2.3.4 圆形艾里涡旋光的自修复性
2.4 本章小结
第三章 圆形艾里涡旋光的深聚焦特性研究
3.1 深聚焦理论基础
3.2 深聚焦的数值仿真
3.2.1 X向线偏振光
3.2.2 Y向线偏振光
3.2.3 左旋圆偏振光
3.2.4 右旋圆偏振光
3.2.5 径向偏振光
3.2.6 角向偏振光
3.3 圆形艾里涡旋光各参数对深聚焦特性的影响
3.3.1 拓扑荷对深聚焦特性的影响
3.3.2 截止系数对深聚焦特性的影响
3.3.3 尺度因子对深聚焦特性的影响
3.3.4 第一主环半径对深聚焦特性的影响
3.3.5 NA值对深聚焦特性的影响
3.4 应用
3.5 本章小结
第四章 圆形艾里涡旋光作用于微粒的光学力研究
4.1 粒子捕获的基本理论
4.1.1 几何光学模型
4.1.2 米氏模型
4.1.3 瑞利模型
4.2 圆形艾里涡旋光作用于瑞利粒子的光学力研究
4.2.1 偏振态对粒子捕获稳定性的影响
4.2.2 右旋圆偏振圆形艾里涡旋光束对高低折射率粒子的捕获
4.2.3 不同参数的输入光对粒子捕获稳定性分析
4.3 圆形艾里涡旋光对瑞利微粒的光力矩
4.4 本章小结
第五章 基于圆形艾里涡旋光的微粒操控系统
5.1 实验系统的构建
5.1.1 器件的选择
5.1.2 系统结构
5.2 全息图的生成
5.3 微粒操控的实验结果
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 研究总结
6.2 展望
参考文献
作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
作者在攻读博士学位期间所参加的科研项目
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型矢量光场调控:简介、进展与应用[J]. 潘岳,丁剑平,王慧田. 光学学报. 2019(01)
[2]Optical forces of focused femtosecond laser pulses on nonlinear optical Rayleigh particles[J]. LIPING GONG,BING GU,GUANGHAO RUI,YIPING CUI,ZHUQING ZHU,QIWEN ZHAN. Photonics Research. 2018(02)
[3]Super-resolution longitudinally polarized light needle achieved by tightly focusing radially polarized beams[J]. 史长坤,聂仲泉,田彦婷,刘超,赵永创,贾宝华. Optoelectronics Letters. 2018(01)
[4]可调谐广义艾里光束产生及传播特性[J]. 钱义先,毛红行. 光子学报. 2018(02)
[5]自加速光的调控及其新奇应用[J]. 陈志刚,许京军,胡毅,宋道红,张泽,赵娟莹,梁毅. 光学学报. 2016(10)
[6]基于空间光场调控技术的光学微操纵[J]. 梁言生,姚保利,雷铭,严绍辉,于湘华,李曼曼. 光学学报. 2016(10)
[7]基于纯相位液晶空间光调制器的全息光学捕获与微操纵[J]. 梁言生,姚保利,马百恒,雷铭,严绍辉,于湘华. 光学学报. 2016(03)
[8]艾里光束传输轨迹控制方法的研究进展[J]. 程振,楚兴春,赵尚弘,邓博于,张曦文. 激光与光电子学进展. 2015(06)
[9]艾里光束产生方法的研究进展[J]. 程振,赵尚弘,楚兴春,邓博于,张曦文. 激光与光电子学进展. 2015(03)
[10]光镊技术的研究现况[J]. 李银妹,龚雷,李迪,刘伟伟,钟敏成,周金华,王自强,姚焜. 中国激光. 2015(01)
博士论文
[1]中空圆柱矢量光束的紧聚焦特性研究[D]. 聂仲泉.哈尔滨工业大学 2015
[2]新型动态光镊技术及应用研究[D]. 张聿全.南开大学 2015
[3]全息光镊及相关技术的理论与实验研究[D]. 马百恒.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2012
[4]光镊的理论模型及纳米颗粒的操纵[D]. 周金华.中国科学技术大学 2010
硕士论文
[1]几类艾里光束的传输特性研究[D]. 花森.南京航空航天大学 2017
[2]基于涡旋贝塞尔光场的粒子操控研究[D]. 王晓雁.东南大学 2017
[3]矢量贝塞尔波束对瑞利粒子的光学操控研究[D]. 杨瑞平.西安电子科技大学 2015
[4]Airy加速光束和突然自聚焦光束的产生和传输特性研究[D]. 王淑贞.山东师范大学 2014
本文编号：3689072
【文章页数】：105 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.1.1 光镊的提出
1.1.2 全息光镊
1.2 国内外研究现状
1.3 本文的研究目标和内容
第二章 圆形艾里涡旋光的产生及传输特性研究
2.1 艾里光的基本理论
2.1.1 理想艾里光束简介
2.1.2 一维有限能量的艾里光束
2.1.3 二维有限能量的艾里光束
2.1.4 圆形艾里涡旋光束的理论基础
2.1.5 光的传输理论基础
2.2 艾里光的产生与传输特性研究
2.2.1 实验系统搭建
2.2.2 实验结果及分析
2.3 圆形艾里涡旋光的产生与传输特性研究
2.3.1 实验装置
2.3.2 圆形艾里涡旋光的自聚焦特性
2.3.3 圆形艾里涡旋光的奇点特性
2.3.4 圆形艾里涡旋光的自修复性
2.4 本章小结
第三章 圆形艾里涡旋光的深聚焦特性研究
3.1 深聚焦理论基础
3.2 深聚焦的数值仿真
3.2.1 X向线偏振光
3.2.2 Y向线偏振光
3.2.3 左旋圆偏振光
3.2.4 右旋圆偏振光
3.2.5 径向偏振光
3.2.6 角向偏振光
3.3 圆形艾里涡旋光各参数对深聚焦特性的影响
3.3.1 拓扑荷对深聚焦特性的影响
3.3.2 截止系数对深聚焦特性的影响
3.3.3 尺度因子对深聚焦特性的影响
3.3.4 第一主环半径对深聚焦特性的影响
3.3.5 NA值对深聚焦特性的影响
3.4 应用
3.5 本章小结
第四章 圆形艾里涡旋光作用于微粒的光学力研究
4.1 粒子捕获的基本理论
4.1.1 几何光学模型
4.1.2 米氏模型
4.1.3 瑞利模型
4.2 圆形艾里涡旋光作用于瑞利粒子的光学力研究
4.2.1 偏振态对粒子捕获稳定性的影响
4.2.2 右旋圆偏振圆形艾里涡旋光束对高低折射率粒子的捕获
4.2.3 不同参数的输入光对粒子捕获稳定性分析
4.3 圆形艾里涡旋光对瑞利微粒的光力矩
4.4 本章小结
第五章 基于圆形艾里涡旋光的微粒操控系统
5.1 实验系统的构建
5.1.1 器件的选择
5.1.2 系统结构
5.2 全息图的生成
5.3 微粒操控的实验结果
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 研究总结
6.2 展望
参考文献
作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
作者在攻读博士学位期间所参加的科研项目
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型矢量光场调控:简介、进展与应用[J]. 潘岳,丁剑平,王慧田. 光学学报. 2019(01)
[2]Optical forces of focused femtosecond laser pulses on nonlinear optical Rayleigh particles[J]. LIPING GONG,BING GU,GUANGHAO RUI,YIPING CUI,ZHUQING ZHU,QIWEN ZHAN. Photonics Research. 2018(02)
[3]Super-resolution longitudinally polarized light needle achieved by tightly focusing radially polarized beams[J]. 史长坤,聂仲泉,田彦婷,刘超,赵永创,贾宝华. Optoelectronics Letters. 2018(01)
[4]可调谐广义艾里光束产生及传播特性[J]. 钱义先,毛红行. 光子学报. 2018(02)
[5]自加速光的调控及其新奇应用[J]. 陈志刚,许京军,胡毅,宋道红,张泽,赵娟莹,梁毅. 光学学报. 2016(10)
[6]基于空间光场调控技术的光学微操纵[J]. 梁言生,姚保利,雷铭,严绍辉,于湘华,李曼曼. 光学学报. 2016(10)
[7]基于纯相位液晶空间光调制器的全息光学捕获与微操纵[J]. 梁言生,姚保利,马百恒,雷铭,严绍辉,于湘华. 光学学报. 2016(03)
[8]艾里光束传输轨迹控制方法的研究进展[J]. 程振,楚兴春,赵尚弘,邓博于,张曦文. 激光与光电子学进展. 2015(06)
[9]艾里光束产生方法的研究进展[J]. 程振,赵尚弘,楚兴春,邓博于,张曦文. 激光与光电子学进展. 2015(03)
[10]光镊技术的研究现况[J]. 李银妹,龚雷,李迪,刘伟伟,钟敏成,周金华,王自强,姚焜. 中国激光. 2015(01)
博士论文
[1]中空圆柱矢量光束的紧聚焦特性研究[D]. 聂仲泉.哈尔滨工业大学 2015
[2]新型动态光镊技术及应用研究[D]. 张聿全.南开大学 2015
[3]全息光镊及相关技术的理论与实验研究[D]. 马百恒.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2012
[4]光镊的理论模型及纳米颗粒的操纵[D]. 周金华.中国科学技术大学 2010
硕士论文
[1]几类艾里光束的传输特性研究[D]. 花森.南京航空航天大学 2017
[2]基于涡旋贝塞尔光场的粒子操控研究[D]. 王晓雁.东南大学 2017
[3]矢量贝塞尔波束对瑞利粒子的光学操控研究[D]. 杨瑞平.西安电子科技大学 2015
[4]Airy加速光束和突然自聚焦光束的产生和传输特性研究[D]. 王淑贞.山东师范大学 2014
本文编号：3689072
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