【摘要】：光場具有動量,因此可對物體產(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的特殊環(huán)境中,為光操控提供了一個嶄新的自由度,具有重要的理論和實際意義。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單、可操作性強的方法來實現(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,利用時域有限差分方法研究了物體在不同階次模式入射時物體對波導(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)動量守恒定律,當(dāng)波導(dǎo)模式從低動量的模式經(jīng)過物體后躍遷到高動量模式時,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算了物體在不同情況下所受光力的值,得到了與動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,我們針對介質(zhì)結(jié)構(gòu)中牽引光力幅值較小的缺點,提出了金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的牽引光力增強的研究,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,具有重要的價值和意義。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O431
【圖文】：

圖 1-1 單個激光束推動溶液中的顆粒[1]粒在光場中受到力的作用，如果能設(shè)計出恰當(dāng)來操縱物體。當(dāng)被操縱的顆粒的尺寸遠小于入模型來分析顆粒所受的光力。理論上，可以使度力，即把處于光場中的粒子看成被極化了的光動量發(fā)生變化，并且由于動量的變化而產(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，依賴于多個粒子之間的散射場的相干光可以推動一個物體向前運動。一個聚焦的光動和捕獲的操作是對單個粒子進行現(xiàn)代光學(xué)操拉動粒子向光源靠近，可以稱之為光學(xué)牽引力然地，由于動量傳遞的原因，這是不可能通過來實現(xiàn)。雖然簡單的單個光源無法實現(xiàn)牽引力光源（如貝塞爾光束）或多個光源來將粒子拉

這些物質(zhì)用常規(guī)的機械手段可能會導(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)狀磁場中，對不帶電微粒受力的計算很早就出現(xiàn)了，但是有些計算方式可能難以計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)作用在一個足夠小的小球上時，即小球半徑以表達成是電偶極影響，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，可以讓某一尺寸物體受到推動力，而另從而實現(xiàn)對物體的區(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銀制平波，照射平板上的物體。可以觀察到，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)致增強了產(chǎn)生小球尺寸太大的話，就不在會有牽引力，只剩下推動力（在同種介質(zhì)材料中，只改變?nèi)肷浣嵌炔⒉粫绊懺摤F(xiàn)象變，只會影響具體力的大小。而改變背景環(huán)境后，峰值的材料也只會對力的大小有影響。

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本文編號：2797156