涡旋光阱中微粒所受的轴向光阱力及力矩研究

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1、硕士学位论文涡旋光阱中微粒所受的轴向光阱力及力矩研究STUDYONAXIALOPTICALFORCEANDTORQUEEXERTEDONMICRO-PARTICLESINOPTICALVORTEX宗兆玉哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：O437学校代码：10213国际图书分类号：535密级：公开理学硕士学位论文涡旋光阱中微粒所受的轴向光阱力及力矩研究硕士研究生：宗兆玉导师：张建隆副教授申请学位：理学硕士学科：光学所在单位：物理系答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O437U.D.

2、C:535DissertationfortheMasterDegreeinScienceSTUDYONAXIALOPTICALFORCEANDTORQUEEXERTEDONMICRO-PARTICLESINOPTICALVORTEXCandidate：ZongZhaoyuSupervisor：Prof.ZhangJianlongAcademicDegreeAppliedfor：MasterDegreeofScienceSpeciality：OpticsAffiliation：DepartmentofPhysicsDateofDefenc

3、e：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学理学硕士学位论文摘要光镊是应用高数值孔径的显微物镜会聚光束形成的三维光学势阱来俘获、操控微纳米粒子的技术。传统的光镊技术一般采用基模高斯光束作为光源，随着研究的深入，科研人员发现一些特殊的光束也可以应用到光镊技术中。特殊光束光镊可以改善系统的性能指标，并可以实现新奇的操控目标。研究涡旋光场中中间尺度的球体微粒和圆柱体微粒的光阱力信息和俘获行为则为特殊光镊系统的优化设计以及微纳米电子器件的实

4、用化提供理论指导。本论文系统地研究了拉盖尔-高斯涡旋光阱中粒子的动力学信息。基于数值工具仿真模拟了涡旋光束的三维螺旋状相位结构以及环形光强分布，研究了不同模式的拉盖尔-高斯涡旋光束的横向光强特性。设计出涡旋光束的相位信息图，并利用空间光调制器在实验上调制出不同拓扑荷值的涡旋光束。研究了涡旋光阱中各向同性的球体微粒的轴向俘获效率。引入传输矩阵算法，基于广义洛仑兹米氏理论将激光光束展开为矢量球面波函数，给出球形对称微粒的传输矩阵并计算不同参数对微粒的轴向俘获效率的影响。结果表明，相同条件下，入射波长越短、束腰半径越小的拓扑荷值为1的涡旋光束

5、所形成的势阱最深。研究了中间尺度的圆柱体微粒在涡旋光阱中的俘获行为。利用扩展边界条件法给出圆柱体微粒的传输矩阵，并基于传输矩阵算法研究了圆柱体微粒在涡旋光阱的光力矩效率。研究结果表明：高长径比的圆柱体微粒在LG01光阱中趋向于沿光轴取向，光束的拓扑荷值、束腰半径以及偏振状态都会影响到微粒的光力矩效率。在获知了圆柱体微粒在光阱中的取向后，进而研究了圆柱体微粒的轴向俘获效率。结果表明：相同条件下，LG01光阱对圆柱体微粒的俘获能力优于基模高斯光阱，由右旋圆偏振LG01光束形成的光阱深度高于其他偏振态。构建了对向传输双涡旋光阱，分析了圆柱体微

6、粒在双涡旋光阱中的扭转以及各相关因素对圆柱体微粒的轴向俘获效率的影响。研究发现，相同条件下，圆柱体微粒在双涡旋光阱和单光束光阱中的扭转行为一致。双涡旋光阱关于中心对称，当两束光不相干时，该光阱对微粒的总轴向俘获效率相当于沿+z方向的轴向俘获效率与沿-z方向的轴向俘获效率的线性叠加；当两束光满足相干条件时，光阱将产生部分振荡。对向传输双光阱不仅可以俘获高折射率的圆柱体微粒，也可以在大束腰半径下夹持住微粒。焦点重合的对向双光束形成的光学势阱最深，焦点的偏离将降低光阱深度。关键词：光镊；轴向光阱力；光力矩；涡旋光束-I-哈尔滨工业大学理学硕士

7、学位论文AbstractOpticaltweezersarethree-dimensional(3D)opticaltrapswheremicro-particlescouldbetrappedandmanipulatedbyfocusingthelaserbeamusingahighnumericalobjective.RatherthanafixedsingleopticaltrapwhichusetraditionalGaussianones，scientistsandresearchersindicatedthatsomenov

8、elbeamscouldbecoupledintoopticaltraps.Specialtrappingbeammodecouldeitheroptimizetheperformanceofoptical