【摘要】：光學(xué)渦旋是具有螺旋型波前和軌道角動量的特殊光場,此種特性使其在諸如光學(xué)微操作、光學(xué)顯微成像、光通信等多個領(lǐng)域都有重要的潛在應(yīng)用價值。本文從數(shù)學(xué)上明確了矢量渦旋光束的定義及其描述,對旋渦光束的電磁場進行準(zhǔn)確描述,并推導(dǎo)了能夠準(zhǔn)確描述不同偏振狀態(tài)下渦旋光束的電磁場分量表達式;理論上分析渦旋光束的能量密度、動量密度、自旋角動量和軌道角動量等動力學(xué)特性;對于復(fù)雜粒子與渦旋波束相互作用的基本理論,我們具體分析了旋轉(zhuǎn)橢球體的瑞利散射模型,采用矩量法分析了電磁散射模型;采用基于面積分方程的矩量法及其快速算法詳細(xì)對電磁散射模型下渦旋光束與不同復(fù)雜粒子間相互作用進行了研究。主要工作如下:1.首先要對渦旋光束的電磁場進行了準(zhǔn)確描述,從數(shù)學(xué)上明確了渦旋光束的定義及其描述,分別引入滿足亥姆霍茲方程的貝塞爾渦旋波束以及激光傳輸?shù)陌S近似方程傍軸條件的高斯型結(jié)構(gòu)渦旋波束的標(biāo)量表達式,接著構(gòu)造符合條件的合理矢量勢,在Lorentz規(guī)范下波束的電磁場可以用矢量勢表達式推導(dǎo)得出,從而得到拉蓋爾-高斯光束(Laguerre-Gaussian beam,LGB)和高階貝塞爾渦旋光束(High-order bessel vortex beam,HOBVB)兩種典型渦旋光束的電磁場分量表達式。采用量子力學(xué)理論中描述結(jié)構(gòu)光束動力學(xué)特性的正則算子證明,渦旋光場中的單個光子具有確定一致的軌道角動量(Orbital Angular Momentum,OAM),而且對于普通光束而言軌道角動量是一個外在的參量,對渦旋光場本身則是一個內(nèi)在參量。并對渦旋光束偏振特性以及能量密度、動量密度、自旋角動量和軌道角動量等動力學(xué)特性,從理論上對其進行了詳細(xì)分析。2.深入研究了用于求解復(fù)雜粒子與渦旋波束相互作用的理論方法,特別是研究了非球形瑞利模型以及基于面積分方程的電磁散射模型。編寫了用于分析旋轉(zhuǎn)橢球體作為最簡單的非球形瑞利粒子與渦旋波束相互作用的程序。分析了旋轉(zhuǎn)橢球體不同三維取向和不同偏振態(tài)下渦旋波束對非球形瑞利粒子的力學(xué)效應(yīng)的影響。對于復(fù)雜形狀粒子對渦旋波束散射作用,采用基于面積分方程的矩量法和快速多極子方法研究其對渦旋波束的散射問題。為下一步研究渦旋波束與復(fù)雜形狀粒子相互作用機理提供理論基礎(chǔ)。3.深入研究了用于分析復(fù)雜形狀均勻介質(zhì)粒子散射問題的一種有效的積分方程(PMCHW方程),編寫了基于PMCHW方程的矩量法及其快速算法程序。采用上述方法研究了一些復(fù)雜形狀均勻介質(zhì)粒子對高階貝塞爾渦旋波束和拉蓋爾高斯波束的散射,如圓錐體、正方體、紡錘形粒子、類似于紅細(xì)胞的碟盤狀粒子、沙漏型粒子以及20面體粒子,并詳細(xì)分析研究光束的波長、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和軌道角動量以及粒子的大小、形狀和折射率對其微分散射截面的影響,揭示渦旋光束與微粒間相互作用的規(guī)律。4.進一步研究了多粒子對渦旋光束的散射作用。給出了用于分析多粒子散射問題的面積分方程及離散后阻抗矩陣元素的計算公式,并編寫了相應(yīng)的程序。采用上述方法研究了一些隨機離散多個均勻介質(zhì)粒子對高階貝塞爾渦旋波束和拉蓋爾高斯波束的散射,并詳細(xì)分析了一些波束參數(shù)以及粒子排列方式等因素對其微分散射截面的影響。5.研究了核殼結(jié)構(gòu)非均勻粒子對渦旋光束的散射作用。給出了用于分析核殼結(jié)構(gòu)非均勻粒子散射問題的面積分方程及離散后阻抗矩陣元素的計算公式,并編寫了相應(yīng)的程序。詳細(xì)分析了并詳細(xì)分析了一些波束參數(shù)以及內(nèi)核參數(shù)等因素對其微分散射截面的影響。同時還給出了渦旋波束入射下一些其他復(fù)雜核殼結(jié)構(gòu)粒子散射問題的數(shù)值計算結(jié)果。
【圖文】：

[66]。圖1.1 不同階次貝塞爾渦旋波束強度三維和二維分布圖(2) 高斯型結(jié)構(gòu)渦旋波束國內(nèi)外研究概況在眾多高斯型結(jié)構(gòu)的渦旋波束中，拉蓋爾高斯光束是最容易產(chǎn)生，，其他渦旋波書也可以由其得到。當(dāng)拉蓋爾-高斯光束進入射具有不同折射率和背景的粒子時產(chǎn)生的機械效應(yīng)，可以幫助獲得傳輸中精確的角動量。目前國內(nèi)外一些專家已經(jīng)做了不少工作，周國泉[67; 68]利用一些數(shù)學(xué)技巧給出了線偏振拉蓋爾高斯光束的遠(yuǎn)場發(fā)散特性和近場中拉蓋爾高斯光束矢量結(jié)構(gòu)相 TE 項和 TM 項，并詳細(xì)分析了依賴正余弦角度關(guān)系式拉蓋爾高斯波束的內(nèi)部矢量結(jié)構(gòu)。在衍射理論的基礎(chǔ)上，丁盤峰和浦繼雄研究了離軸渦旋光束的傳播[69]。VanAS，T r k P 等[70]研究了通過高數(shù)值孔徑透鏡會聚 LGB的粒子 Mie 散射。Garbin V 等用實驗和數(shù)值法研究了不同拓?fù)浜蓴?shù)的會聚拉蓋爾高斯

不同模式下的拉蓋爾高斯光束的橫向光強分布圖
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O436;O441

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本文編號：2672695