聚焦激光光束对微粒的辐射力及其应用

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1、学校代码：10385分类号：研究生学号：1300208005密级：士学位论文硕聚焦激光光束对微粒的辐射力及其应用Radiationforcesonmicroparticlesbyfocusedlaserbeamsandapplications作者姓名：张瑞丽指导教师：蒲继雄合作教师：学科：光学研究方向：光束传输与变换所在学院：信息科学与工程学院论文提交日期：二零一六年三月三十日摘要众所周知，就是当光子作用在粒子上的时候，他们所携带的动量和能量会产生相互交换的现象，而在此过程中就产生了激光光束作用在粒子上的辐射力。早在1970年间，伟大

2、的Ashkin首次使用激光光束产生的辐射力作用在微小粒子上，成功地实现了稳定的捕获与控制；在1986年，Ashkin再次将焦点聚焦于高数值孔径物镜，他采用一单束激光形成了一个三维光势阱，随后，证明了这种光势阱可以对活体物质进行无损伤操纵。自此，此领域引起了越来越多人的关注，而且被操控的粒子的范围也越来越广泛，囊括了中性原子、分子、微型介质小球和活细胞等活体物质。我们通常所说的光镊其实就是这样一种三维光学矢阱，它的理论基础就是建立在利用高度聚焦的激光微束形成的光学梯度力势阱来实现对微纳米量级粒子的捕获与操控的技术，它所产生的皮牛量级的辐

3、射力十分微弱，可以被用来操控微纳米量级的粒子。随着光学微操纵技术的不断发展，人们逐渐对光学捕获和操控的范围、效率和精度等方面不断提出新的要求。经研究表明，在影响粒子定向操控的诸多因素中入射光束的相位和偏振状态变化是主要因素。基于此结论，本论文主要通过调控入射光束的偏振态、相位从而达到对目标粒子的定向操控。另外还研究了关于进行多粒子的集体操控和微气泡操控等内容，主要包括以下几个部分：1.基于Richards-Wolf的矢量衍射理论和瑞利散射理论，利用混合偏振矢量光束通过大数值孔径紧聚焦原理，研究了数值孔径与径向系数的变化对焦场处瑞利粒子

4、的捕获情况。结果表明：数值孔径与径向系数对其辐射力影响明显，大数值孔径会使聚焦光斑半径变小，具有很强的梯度力分布，而径向系数的增大会使聚焦焦斑从一个圆斑变成一个圆环。这种混合偏振矢量光束能够在焦平面附近产生很强的纵向电场，有利于更好地捕获粒子。2.利用德拜矢量积分理论和瑞利散射理论，推导出了完全相干径向偏振矢量光束经DevilVortexlens(DVL)相位调制后深聚焦光场，及作用在瑞利粒子上的辐射力。通过数值模拟发现，当拓扑荷数m与DVL阶数s匹配时，焦场处将会产生一亮斑，可以被用来捕获折射率较大的瑞利粒子。3.实验上,我们通过S

5、PP调制ND-YAG激光相位，获得空心光束，经过深聚焦系统实现了对8-20微米气泡的微操纵。关键词：Debye衍射积分深聚焦混合偏振DVL辐射力IAbstractItiswellknownthattheenergyandmomentumexchangeoccurswhenphotonsinteractwithparticles,andthereforethescatteringandgradientforcesareproducedinthecorrespondingprocess.In1970,Ashkinhasfirstlyapp

6、liedtheradiationforcegeneratedbyalaserbeamontinyparticles,andsuccessfullyachievedstablecaptureandcontrol.In1986,Ashkinagainusedahighnumericalapertureobjectivelenstofocusasinglelaserbeamthatformedathree-dimensionalhighlyfocusedlighttrap,andprovedthatsuchanopticaltrapcana

7、chievebiologicalsubstancemanipulationwithoutdamage.Sincethen,thisresearchfiledhasattractedmoreandmoreattention,andtherangeofparticlesthatcanbemanipulatedbecomeswiderandwider,includingneutralatoms,molecules,smallballsandminiaturemediumoflivingcellsandotherbiologicalsubst

8、ances.Theopticaltweezersweusuallyreferredisinfactatypeofthree-dimensionalopticalvectortrap.Itstheoreticalfound