【摘要】：光場(chǎng)具有動(dòng)量,因此可對(duì)物體產(chǎn)生力學(xué)作用,即光壓。通常光壓的方向是沿光傳播方向向前。近年來人們提出了一種非常反常的光學(xué)牽引力效應(yīng),即物體受到的光力與傳播方向相反。這一新奇的現(xiàn)象及其背后深刻的物理機(jī)制迅速引起了人們的廣泛關(guān)注和大量研究。與光學(xué)推力相比,牽引力可以將物體拉向光源,因此在一些無法推動(dòng)的特殊環(huán)境中,為光操控提供了一個(gè)嶄新的自由度,具有重要的理論和實(shí)際意義。然而,在目前的研究中,為了產(chǎn)生光學(xué)牽引力,人們不得不使用很復(fù)雜的光源或者是極其繁瑣的結(jié)構(gòu),使得這種牽引力的產(chǎn)生條件非�？量�,對(duì)其應(yīng)用而言有著很大的困難。本文的研究目的就是在光學(xué)和流體的通道中尋找更簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)的方法來實(shí)現(xiàn)光學(xué)牽引力。本文首先研究了二維多層平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的光學(xué)牽引力特性,其中波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的中間芯層為水,兩側(cè)為高折射率硅,最外層為空氣。其中利用解析的方法得到了五層平板光波導(dǎo)中的本征模式。將物體置于波導(dǎo)芯層中,利用時(shí)域有限差分方法研究了物體在不同階次模式入射時(shí)物體對(duì)波導(dǎo)中傳輸模式的影響。結(jié)果表明,物體的散射效應(yīng)導(dǎo)致了不同波導(dǎo)模之間的模式轉(zhuǎn)換。根據(jù)動(dòng)量守恒定律,當(dāng)波導(dǎo)模式從低動(dòng)量的模式經(jīng)過物體后躍遷到高動(dòng)量模式時(shí),物體就有可能獲得牽引力,反之就可以產(chǎn)生光學(xué)推力。利用麥克斯韋張量分析的方法定量計(jì)算了物體在不同情況下所受光力的值,得到了與動(dòng)量守恒定律完全一致的結(jié)果。在二維多層平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的研究基礎(chǔ)上,我們將推廣到了三維矩形波導(dǎo)。波導(dǎo)芯層填充介質(zhì)水,外層為高折射率硅,以及空氣包覆層。利用數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法,得到了三維矩形波導(dǎo)中的本征模式。利用時(shí)域有限差分方法求解了出現(xiàn)光學(xué)牽引力的基本條件,以橫向穩(wěn)定捕獲條件,從而實(shí)現(xiàn)了三維結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定光學(xué)牽引。最后,我們針對(duì)介質(zhì)結(jié)構(gòu)中牽引光力幅值較小的缺點(diǎn),提出了金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的牽引光力增強(qiáng)的研究,使得牽引光力的幅值提高了5倍。本文所研究的牽引光力理論及實(shí)現(xiàn)方法在微流系統(tǒng)中光操控提供了新的方法和手段,具有重要的價(jià)值和意義。
【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】：2018
【分類號(hào)】：O431
【圖文】：

圖 1-1 單個(gè)激光束推動(dòng)溶液中的顆粒[1]粒在光場(chǎng)中受到力的作用，如果能設(shè)計(jì)出恰當(dāng)來操縱物體。當(dāng)被操縱的顆粒的尺寸遠(yuǎn)小于入模型來分析顆粒所受的光力。理論上，可以使度力，即把處于光場(chǎng)中的粒子看成被極化了的光動(dòng)量發(fā)生變化，并且由于動(dòng)量的變化而產(chǎn)生輻射壓力導(dǎo)致朝向波傳播方向的散射力和朝向中，由于梯度力或由于梯度和散射力的平衡，粒子時(shí)，依賴于多個(gè)粒子之間的散射場(chǎng)的相干光可以推動(dòng)一個(gè)物體向前運(yùn)動(dòng)。一個(gè)聚焦的光動(dòng)和捕獲的操作是對(duì)單個(gè)粒子進(jìn)行現(xiàn)代光學(xué)操拉動(dòng)粒子向光源靠近，可以稱之為光學(xué)牽引力然地，由于動(dòng)量傳遞的原因，這是不可能通過來實(shí)現(xiàn)。雖然簡(jiǎn)單的單個(gè)光源無法實(shí)現(xiàn)牽引力光源（如貝塞爾光束）或多個(gè)光源來將粒子拉

這些物質(zhì)用常規(guī)的機(jī)械手段可能會(huì)導(dǎo)致不精確，構(gòu)等問題。而利用光力的特性，可以更好的去操控微米對(duì)物體造成不希望的破壞。捕獲和光學(xué)牽引力的發(fā)展概況外的相關(guān)研究現(xiàn)狀磁場(chǎng)中，對(duì)不帶電微粒受力的計(jì)算很早就出現(xiàn)了，但是有些計(jì)算方式可能難以計(jì)算或者不適用此種情況，而且人們研究了很多不同的模型來理論描述這種光力。比如于波長的情況 2008-2010 年，Patrick C. Chaumet，M. Niet研究了關(guān)于電磁場(chǎng)中小球受力的原理和公式，使用了偶極理方法。當(dāng)作用在一個(gè)足夠小的小球上時(shí)，即小球半徑以表達(dá)成是電偶極影響，磁偶極影響和相互作用影響。該上，增加了新的解讀方式。

在參數(shù)合適時(shí)，可以讓某一尺寸物體受到推動(dòng)力，而另從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的區(qū)別，或是將某一特定尺寸的物體從僅可以由高斯光束等特定的較復(fù)雜的光源產(chǎn)生，也可以但是需要有特定的結(jié)構(gòu)來輔助產(chǎn)生有效的光力。2016 年[22]，使用如圖 1-3 中所示結(jié)構(gòu)，建立理論模型并用數(shù)值模十納米左右的小球下，間隔十幾納米處使用一個(gè)銀制平波，照射平板上的物體�？梢杂^察到，物體可以受到水整入射波長，可以發(fā)現(xiàn)在其共振峰處可以有一個(gè)水平反光源的牽引力�？梢钥吹皆谶m當(dāng)角度斜入射后（偏振方于金屬表面產(chǎn)生的表面等離子波（SPP）導(dǎo)致增強(qiáng)了產(chǎn)生小球尺寸太大的話，就不在會(huì)有牽引力，只剩下推動(dòng)力（在同種介質(zhì)材料中，只改變?nèi)肷浣嵌炔⒉粫?huì)影響該現(xiàn)象變，只會(huì)影響具體力的大小。而改變背景環(huán)境后，峰值的材料也只會(huì)對(duì)力的大小有影響。

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本文編號(hào)：2797156