幂指数角向变化矢量光场的生成、物理特性和光力研究.pdf

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1、学校代码：10286分类号：TN24密级：公开UDC：535学号：151160幂指数角向变化矢量光场的生成、物理特性和光力研究研究生姓名：张迎娣导师姓名：顾兵教授申请学位类别工学硕士学位授予单位东南大学一级学科名称光学工程论文答辩日期2018年6月8日二级学科名称光学工程学位授予日期2018年6月20日答辩委员会主席张雄教授评阅人盲审盲审2018年6月8日硕士学位论文幂指数角向变化矢量光场的生成、物理特性和光力研究专业名称：光学工程研究生姓名：张迎娣导师姓名：顾兵教授本论文获国家自然科学基金项目（项目号11174160、11774055、11474052）的资助。GE

2、NERATION、PHYSICALCHARACTERISTICSANDFORCEOFPOWER-EXPONENTAZIMUTHAL-VARIANTVECTORFIELDAThesisSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYZHANGYind-diSupervisedbyProfessorGUBingSchoolofElectronicScienceandEngineeringSoutheastUniversityApril2018东南大学学位论文独创性声明本人声明

3、所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司、万方数据电子出版社、北京万方数据股份有限公司有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

4、本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布（包括以电子信息形式刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名：日期：摘要摘要线动量和角动量作为电磁波的主要特性，在描述和解释光与物质相互作用效果和机制中起着重要作用。理论上，光场的线动量和角动量可以转移至粒子，分别使得粒子受到光力作用和力矩作用，引起粒子的平移运动和转动。具体来说，光与物质相互作用依赖这些物理量的外在表现的空间分布，如光场梯度，这意味着通过调控光场基本参量，就能够达到改

5、变光与物质作用结果的目的。因此，将光镊技术与光场空域调控相结合可以获得更加复杂的力场结构，从而为光学微操控等提供更多的力学自由度，这是一个具有重要研究价值与广阔应用前景的方向之一。目前已有一些利用特殊光场对粒子运动轨迹进行操控的实验报道，其中大部分的粒子运动都呈现以光轴为中心的轴对称特性，而对于对称性破缺的粒子运动提及甚少。本论文主要针对矢量光场应用于光镊技术和光学微操控的研究，围绕一种偏振态非对称分布的矢量光场，即幂指数角向变化矢量光场，开展研究，主要内容如下：1、简要介绍了矢量光场主动生成和被动生成的几种典型技术，重点阐述了基于4f系统相干合成的生成技术，并利用该

6、系统生成了六组不同的幂指数角向变化矢量光场。进一步利用实验测得的Stokes参量计算了光场偏振态分布并定量分析了实验误差。2、研究了紧聚焦后幂指数角向变化矢量光场的焦场特性。基于Richards-Wolf矢量衍射理论，推导了的PE-AV矢量光场的焦场表达式，并数值计算了六组紧聚焦后幂指数角向变化矢量光场的强度分布和偏振态分布。当入射场的偏振态非柱对称分布时，相应焦场的强度和偏振态分布与入射场相比都会发生很大改变，展现出奇特的焦场特性。3、研究了幂指数角向变化矢量光场的线动量和角动量密度特性。我们数值计算了紧聚焦PE-AV矢量光场的动量密度分布，发现与偏振态柱对称的径向

7、偏振光不同的是，紧聚焦后非柱对称的PE-AV矢量光场的线动量密度和角动量密度的横向、纵向分量的自旋和轨道部分分布都呈现不均匀的特殊分布，这为后续解释光场对粒子运动作用效果提供了理论支撑。4、分析了紧聚焦后幂指数角向变化矢量光场对瑞利粒子的光力和力矩作用。我们以瑞利粒子作为研究对象，一方面分析了它在紧聚焦的幂指数角向变化矢量光场中受到的梯度力、辐射力以及总力的分布，另一方面，基于自旋力矩和轨道力矩理论，分析了粒子在光场中的旋转运动情况，进而预测了粒子最终的运动状态。关键词：非对称矢量光场，焦场特性，线动量，角动量，光力，力矩，光镊IAbstractAb