【摘要】：光與物質(zhì)相互作用過(guò)程中,光場(chǎng)和物體之間的動(dòng)量交換所導(dǎo)致的物體動(dòng)量隨時(shí)間的變化率稱之為光的力學(xué)效應(yīng)。目前,基于光力效應(yīng)的操控技術(shù)是控制微納物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的最佳手段,其具有非接觸、無(wú)破壞、精確、快速等優(yōu)點(diǎn),在生物、化學(xué)、納米、量子等眾多領(lǐng)域都具有重要應(yīng)用前景。近年來(lái),光學(xué)牽引力和光學(xué)橫向力這兩種非傳統(tǒng)光力的研究受到廣泛地關(guān)注。通過(guò)光場(chǎng)、物體及結(jié)構(gòu)化背景之間復(fù)雜的相互作用和動(dòng)量交換,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體更多維度的光學(xué)操控。本文主要聚焦在結(jié)構(gòu)化背景中微納尺度物體的異常光力研究:光子晶體背景調(diào)制下的光學(xué)牽引力產(chǎn)生及物理機(jī)制;空氣-水界面上手性小球的光學(xué)橫向力產(chǎn)生及反轉(zhuǎn)效應(yīng)。基于光子晶體背景對(duì)光場(chǎng)的強(qiáng)大調(diào)節(jié)能力,研究了光子晶體中基于強(qiáng)度梯度力的光學(xué)牽引效應(yīng)。研究了光子晶體衰減模中不同尺寸和折射率小球的受力情況:在弱散射情況下,衰減模的梯度力占主導(dǎo),小球受到光學(xué)牽引力;在散射較強(qiáng)時(shí),散射力提供的光學(xué)推力起主要作用。因此實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)散射粒子和弱散射粒子的分選。構(gòu)建彎曲的光子晶體波導(dǎo)通道,實(shí)現(xiàn)了粒子曲線路徑的光學(xué)牽引。通過(guò)能帶求解和分析,構(gòu)建了支持自準(zhǔn)直模傳輸?shù)墓庾泳w結(jié)構(gòu),研究了散射體在該特殊布洛赫模中的光學(xué)力。通過(guò)物體幾何參數(shù)和光學(xué)參數(shù)的調(diào)節(jié),得到了物體受到光學(xué)牽引的條件。通過(guò)對(duì)牽引光力的深入分析發(fā)現(xiàn)光學(xué)牽引力主要是由物體內(nèi)部局域光場(chǎng)的強(qiáng)度梯度產(chǎn)生的,而該強(qiáng)度梯度則是由物體自誘導(dǎo)而產(chǎn)生的。并討論了該牽引力的帶寬特性、與入射角度的依賴關(guān)系,以及對(duì)結(jié)構(gòu)隨機(jī)擾動(dòng)的魯棒性,并基于光子晶體自準(zhǔn)直模的自恢復(fù)特性,討論了多個(gè)物體同時(shí)牽引的方案。研究了光子晶體通道中基于模式轉(zhuǎn)換的光學(xué)牽引力。設(shè)計(jì)了支持雙模傳播的光子晶體波導(dǎo),理論分析表明這兩個(gè)模式攜帶不同的前向動(dòng)量密度。當(dāng)入射模為低動(dòng)量密度模式時(shí),由散射體所引發(fā)的模式轉(zhuǎn)換會(huì)造成光場(chǎng)前向動(dòng)量放大,從而對(duì)散射體產(chǎn)生光學(xué)牽引力,分析了不同散射分量對(duì)光學(xué)牽引力的影響。理論推導(dǎo)出了基于模式轉(zhuǎn)換和動(dòng)量守恒原理的牽引光力表達(dá)式,并與數(shù)值模擬結(jié)果完全吻合。由于所提出的系統(tǒng)具有在非共振情況下工作的特點(diǎn),所以可在寬頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生光學(xué)牽引力。進(jìn)一步研究表明,物體在通道中的后向散射對(duì)光學(xué)牽引力的產(chǎn)生有抑制作用,因此提出通過(guò)引入拓?fù)錂C(jī)制來(lái)消除通道中的后向散射。并基于此構(gòu)建了具有單向傳播特性的雙模拓?fù)涔庾泳w波導(dǎo),從而更有效率地實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的光學(xué)牽引。研究了空氣-水界面背景中手性粒子的橫向光力。本文建立了空氣-水界面上手性粒子的受力模型,研究手性Mie粒子在光束傾斜入射情況下受到的光學(xué)橫向力。結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同于偶極近似下的手性小球橫向力的方向僅僅與手性有關(guān),Mie粒子所受橫向光力的大小和方向不僅與手性有關(guān),還與小球的尺寸,入射光方向有關(guān),并發(fā)現(xiàn)了光學(xué)橫向力反轉(zhuǎn)效應(yīng)。基于坡印廷矢量分布,給出了光學(xué)橫向力及其反轉(zhuǎn)效應(yīng)的解釋。詳細(xì)討論了入射角度、入射偏振、小球尺寸、小球手性參數(shù)和手性不均勻?qū)鈱W(xué)橫向力及其反轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響。光學(xué)牽引力和光學(xué)橫向力的研究,為光操控提供了新的自由度,極大豐富了光操控技術(shù)的功能和應(yīng)用范圍,同時(shí)也深刻揭示了光與物質(zhì)相互作用的機(jī)理。本論文的研究對(duì)光操控的理論和技術(shù)應(yīng)用都有重要價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O43

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