【摘要】：光學(xué)力起源于光與物質(zhì)的相互作用中的動(dòng)量交換,利用光學(xué)力可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的非接觸操控。阿瑟?阿什金教授憑借其提出光鑷技術(shù)并推動(dòng)其在生物學(xué)中的應(yīng)用而分享了2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光學(xué)牽引力是近年來光力領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn),這一反直覺的光力效應(yīng)不僅為光操控提供一個(gè)新的維度,并且對(duì)于更深層次地理解光與物質(zhì)相互作用具有重要價(jià)值。以往人們對(duì)牽引光力的研究大多在均勻背景介質(zhì)中進(jìn)行,而本文則是在光子晶體周期背景中開展研究。論文提出了兩種實(shí)現(xiàn)光學(xué)牽引力的新機(jī)制,并建立三種光子晶體模型,使用(時(shí)域有限差分算法)FDTD對(duì)其進(jìn)行了理論和數(shù)值模擬的驗(yàn)證。首先,提出利用支持凹形色散的背景結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光學(xué)牽引力。建立滿足這種特殊色散關(guān)系的光子晶體結(jié)構(gòu),光子晶體內(nèi)部光場動(dòng)量的大小與其傳播方向密切相關(guān),即沿主軸方向傳播光場動(dòng)量最小,而當(dāng)其偏離主軸方向時(shí)動(dòng)量急劇增加。根據(jù)這一物理機(jī)理,在沿主軸傳播光束的路徑上設(shè)置一個(gè)散射體,使光束向兩側(cè)散射且抑制向后的反射,就會(huì)實(shí)現(xiàn)散射光動(dòng)量沿光傳播方向的增加,根據(jù)線動(dòng)量守恒,物體受到一個(gè)指向光源的后向牽引力。接下來,提出利用光子晶體通道支持的無衍射傳播模式實(shí)現(xiàn)光學(xué)牽引力,包括單通道自準(zhǔn)直模以及線缺陷波導(dǎo)模。在這些模式的作用下,光子晶體通道內(nèi)放置的電介質(zhì)物體內(nèi)部會(huì)形成較強(qiáng)的局域光場梯度,光學(xué)梯度力使得物體朝向光場最強(qiáng)處運(yùn)動(dòng),而光強(qiáng)最大的區(qū)域始終處于物體前方,由置于通道中的物體誘發(fā)形成,因此可形成連續(xù)的光學(xué)牽引力。根據(jù)布洛赫原理,能夠解釋該牽引力的周期振蕩特性。同時(shí),兩種模式中的光學(xué)牽引力都對(duì)光源入射角不敏感,且橫向恢復(fù)力能夠?qū)⑽矬w捕獲在通道中心位置上,為長距離穩(wěn)定操控物體提供了條件。綜上,本論文提出了兩種基于不同物理機(jī)制實(shí)現(xiàn)光學(xué)牽引力的方法,并且在三種不同的光子晶體結(jié)構(gòu)中得到了驗(yàn)證,為實(shí)現(xiàn)光學(xué)牽引力研究提供了新的思路。最后,這項(xiàng)研究工作有助于研究光-物體-背景介質(zhì)的動(dòng)量轉(zhuǎn)換關(guān)系,為調(diào)制光學(xué)力提供一個(gè)新的自由度,并且有助于更深層次地探究光的本質(zhì)和光與物質(zhì)相互作用的物理內(nèi)涵。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O734
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文使用貝塞爾光束，Chen 等人在 Nature Photonics 上發(fā)表重要論文[16]，貝塞爾光束實(shí)現(xiàn)了操控聚苯乙烯小球（2rε = 1.59和，小球在一定的尺寸條件下將會(huì)受到一個(gè)指向光源的越大越易產(chǎn)生負(fù)力，當(dāng)粒子尺寸接近幾何光學(xué)的極限這是由于貝塞爾光束照射到小球上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)多級(jí)干定條件下會(huì)使得散射光沿著光軸方向的前向散射動(dòng)量，物體會(huì)受到一個(gè)指向光源的力。黑色曲線代表著在到穩(wěn)定的橫向力。這項(xiàng)工作對(duì)于光學(xué)牽引力的研究具

聚苯乙烯小球在非傍軸貝塞爾光束照射下的受力情況

利用貝塞爾光束在長距離上實(shí)現(xiàn)光學(xué)牽引力[40]

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本文編號(hào)：2762251