【摘要】：隨著激光技術(shù)和相關(guān)科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步,光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注。通過對(duì)光場(chǎng)基本參量——頻率、振幅、相位以及偏振態(tài)等進(jìn)行調(diào)控,產(chǎn)生了一系列具有新穎特性的特殊模式光場(chǎng),被廣泛應(yīng)用于光通信、光學(xué)微加工、光學(xué)顯微以及光學(xué)微操縱等領(lǐng)域。光不僅具有能量還攜帶動(dòng)量,與物質(zhì)相互作用過程中既存在能量的傳遞又伴隨著動(dòng)量的轉(zhuǎn)移,勢(shì)必會(huì)發(fā)生力學(xué)作用。自從1970年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Ashkin等人開創(chuàng)性地利用激光對(duì)懸浮微粒進(jìn)行捕獲和移動(dòng)以來,光學(xué)微操縱技術(shù)——一項(xiàng)利用緊聚焦激光光束所產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)來操控幾納米到幾百微米量級(jí)微粒的技術(shù),以其獨(dú)特的非接觸、無損傷和高精度等操控優(yōu)勢(shì)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域,特別是生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。特殊模式光場(chǎng)與微粒相互作用時(shí)會(huì)表現(xiàn)出一些特殊的現(xiàn)象和效應(yīng),因此,研究各種特殊光場(chǎng)與微粒相互作用是近年來國內(nèi)外光學(xué)微操縱研究領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。本論文通過調(diào)控光場(chǎng)的相位和偏振自由度,圍繞渦旋矢量光束的聚焦特性及其與微粒相互作用的動(dòng)力學(xué)特性,主要完成了以下工作:1.建立了一套特殊模式光場(chǎng)聚焦場(chǎng)和微粒所受光力和光力矩的計(jì)算方法和程序。采用非傍軸近似下的Richards-Wolf矢量衍射理論計(jì)算聚焦場(chǎng)的分布,以彌補(bǔ)標(biāo)量衍射理論在緊聚焦情況下的不足;應(yīng)用嚴(yán)格的電磁場(chǎng)散射模型-T矩陣方法計(jì)算粒子周圍的散射場(chǎng),大大減小了計(jì)算量和適用于求解各種粒子的散射問題;利用動(dòng)量和角動(dòng)量守恒及對(duì)時(shí)間平均的麥克斯韋應(yīng)力張量積分來計(jì)算作用在微粒上的光力和光力矩,從而保證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。2.提出了一種沿橫向(垂直光軸方向)操縱微粒旋轉(zhuǎn)的手段——橫向自旋。傳統(tǒng)的圓偏振光束具有縱向自旋角動(dòng)量,導(dǎo)致粒子沿光軸方向自旋,而柱矢量光束的焦場(chǎng)具有可觀的橫向自旋角動(dòng)量,能驅(qū)動(dòng)粒子沿橫向(介于徑向和角向之間)自旋,使得沿非光軸方向旋轉(zhuǎn)粒子成為可能,增加了光操控額外的旋轉(zhuǎn)自由度。進(jìn)一步,提出采用一類偏振態(tài)角向變化的矢量光束來操縱微粒,該光束形成花瓣?duì)罹劢构鈭?chǎng),攜帶純的橫向自旋角動(dòng)量,能同時(shí)捕獲多個(gè)粒子并驅(qū)動(dòng)粒子沿角向自旋。3.分析了各種偏振渦旋光束中微粒的軌道運(yùn)動(dòng)形式。渦旋光束攜帶軌道角動(dòng)量,與粒子相互作用時(shí)可驅(qū)動(dòng)粒子做軌道運(yùn)動(dòng)。對(duì)渦旋光束加以不同的偏振態(tài)調(diào)制,將產(chǎn)生不同的光致旋轉(zhuǎn)特性。圓偏振、徑向偏振和方位角偏振渦旋光束可驅(qū)動(dòng)粒子做均勻軌道旋轉(zhuǎn);而線偏振渦旋光束會(huì)導(dǎo)致粒子非均勻的軌道運(yùn)動(dòng);軌道運(yùn)動(dòng)的方向由拓?fù)浜傻姆?hào)決定;且每種偏振渦旋光束都存在一個(gè)最優(yōu)的拓?fù)浜梢垣@得最大的軌道矩。4.研究了不同偏振渦旋光束中微粒的自旋運(yùn)動(dòng)情況。由于聚焦作用渦旋光聚焦場(chǎng)還攜帶自旋角動(dòng)量,粒子同時(shí)存在自旋運(yùn)動(dòng)。圓偏振、徑向偏振渦旋聚焦場(chǎng)中,粒子繞光軸做軌道運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還做非軸向(介于角向和軸向之間)的自旋運(yùn)動(dòng),自旋的方向由拓?fù)浜傻姆?hào)和偏振態(tài)共同決定。此外,還研究了粒子在正負(fù)階渦旋疊加的雙渦旋光束中的運(yùn)動(dòng)情況,直觀上認(rèn)為這種混合光場(chǎng)的軌道角動(dòng)量相互抵消,不將驅(qū)動(dòng)粒子旋轉(zhuǎn)。但結(jié)果表明該光束聚焦場(chǎng)攜帶自旋角動(dòng)量,能誘導(dǎo)粒子產(chǎn)生軸向或橫向自旋。5.揭示了非球形微粒在各種偏振光束中的穩(wěn)定存在形式。旋轉(zhuǎn)橢球體作為最簡(jiǎn)單的非球形幾何體可以模擬實(shí)際光學(xué)微操縱中的大量不規(guī)則形狀粒子。通過對(duì)旋轉(zhuǎn)橢球粒子的三維空間取向分析以及對(duì)光場(chǎng)的偏振特性研究,發(fā)現(xiàn)各種偏振光束聚焦場(chǎng)不但能穩(wěn)定捕獲橢球粒子,還能很好地控制粒子的取向。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O43
【圖文】：

調(diào)控光場(chǎng)的頻率屬于時(shí)域調(diào)控，如光學(xué)頻率梳，一把帶有刻度的光學(xué)梳現(xiàn)對(duì)光學(xué)頻率極其精密的測(cè)量，大大提高了測(cè)量的精準(zhǔn)性，使光學(xué)原子成為了可能。另一方面，調(diào)控光場(chǎng)的空間參量振幅、相位和偏振屬于空可將傳統(tǒng)的基模高斯光束轉(zhuǎn)換為新穎的空間結(jié)構(gòu)光場(chǎng)，極大地增加了光的信息，展現(xiàn)出一系列的新效應(yīng)和新現(xiàn)象。近年來，作為光學(xué)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一的光場(chǎng)空域調(diào)控受到了諸多研究者人們相繼提出并實(shí)現(xiàn)了多種振幅、相位和偏振等具有特殊空間分布的新比如具有無衍射特性的貝塞爾(Bessel)光場(chǎng)[1]、螺旋相位的渦旋(vortex橫向自加速的艾里(Airy)光場(chǎng)[3]、非傍軸自彎曲的馬丟(Mathieu)光場(chǎng)[4意軌跡傳輸?shù)念?Bessel 光場(chǎng)[5]，以及偏振態(tài)非均勻分布的矢量(vector等。這些特殊模式光場(chǎng)展現(xiàn)出諸多新穎的物理效應(yīng)和現(xiàn)象，進(jìn)一步拓技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，被廣泛應(yīng)用于光通信[7]、光信息存儲(chǔ)[8]、光學(xué)微加工顯微[10]、光子彈[11]和光學(xué)微操縱[12]等領(lǐng)域。

奇點(diǎn)普遍存在，而物理學(xué)是研究奇點(diǎn)最深入的領(lǐng)域。1931 年，慮磁單極現(xiàn)象中，推斷出一般的量子波函數(shù)在三維空間會(huì)存在相位奇點(diǎn)將奇點(diǎn)的概念引入到了物理場(chǎng)中[15]。1974 年，Nye 和 Berry 發(fā)現(xiàn)光場(chǎng)似于晶體中的“波前錯(cuò)位(wave-front dislocations)”現(xiàn)象，首次將奇點(diǎn)的到了電磁波領(lǐng)域[16]。Bryngdahl 和 Lee 最先提出在平滑波前的光波中相位奇點(diǎn)的想法[17]，這一構(gòu)思為之后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1979 年，VauWilletts 首次在激光腔內(nèi)產(chǎn)生了帶有相位奇點(diǎn)的光束[18]。1989 年，Coul究了較大 Fresnel 數(shù)的激光腔，發(fā)現(xiàn)具有螺線型相位分布的相位奇點(diǎn)光體中渦旋的狀態(tài)類似，首次提出了“光學(xué)渦旋(optical vortices)”的概念[渦旋光束(vortex beam)是指攜帶了光學(xué)渦旋具有 exp(im )相位分布的光 m 為相位拓?fù)浜蓴?shù)， 為柱坐標(biāo)系下的方位角。幾種不同拓?fù)浜汕闆r下的波前、相位和強(qiáng)度分布如圖 1.2 所示，渦旋光束具有螺旋形的波前結(jié)面的方向依賴于拓?fù)浜傻姆?hào)；中心是相位奇點(diǎn)，沿中心環(huán)繞一周相位

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 孫玉芬,李銀妹,樓立人;激光光阱中微粒的光致旋轉(zhuǎn)[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;2003年10期

本文編號(hào)：2737285