基于焦场强度调控的光镊技术研究

论文摘要

光力效应源自于光与物质相互作用过程中的动量交换,利用这种力学效应人们开发了能够在无接触和无损活体条件下对纳米至微米尺度微粒实施稳定捕获和灵活操控的光镊技术。光镊技术使得人们对微小物体的研究从被动的观察转为主动的观测,在生物学、物理学、化学等领域均有着重要的广泛应用。然而,传统光镊系统中使用的捕获光源均为标量光场,在捕获范围和势阱深度等方面限制了光镊技术对特定种类粒子的捕获效率。随着激光技术的飞速发展,人们已经能够在腔内和腔外对光场的矢量分布进行有效的调控,这种有着特殊偏振分布的矢量光场催生出了大量新颖的光镊技术,对原有光镊技术进行了很好的补充和提升。众所周知,粒子在光场中的力学效应与光场的强度分布有密不可分的联系,因此其稳定性和动力学行为都将受到焦场强度调制的控制。借助于矢量光场在紧聚焦条件下独特的场分布特性,我们开发了一系列基于入射场偏振态控制的焦场强度调控技术,并探索了此类光场在光镊技术中的应用。实验方面,我们搭建了基于连续激光的光镊系统,利用多种不同波长的激光器实现了对微米尺度介质粒子的稳定捕捉;理论方面,我们利用理查德-沃尔夫矢量衍射理论着重研究了柱矢量涡旋光场的紧聚焦特性,详细分析了物镜数值孔径、入射光场的偏振态和拓扑荷数对于聚焦场Gouy位相和波前间距分布的影响,给出了Gouy位相和波前间距分布之间的联系。基于矢量光束的紧聚焦特性,我们利用两束相向传输的径向偏振一阶拉盖尔-高斯光生成了球形的中空焦斑,并采用偶极近似理论对处于焦点附近粒子的力学特性进行了分析,证实该类焦场适用于高折射率和低折射率粒子的三维稳定捕获和操控。此外,我们提出了一种利用二阶全庞加莱球光束生成了二维平顶焦场的方法,验证了该平顶光场在三维空间捕获纳米粒子的可行性。本文的研究工作对于矢量光场的调控以及新型矢量光场在光镊中的应用开拓了思路,为焦场位相研究、测量学、光学捕获和微操控领域提供新的解决方案。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 光镊技术概况

1.1.1 光镊技术的发展历史

1.1.2 光镊的理论模型

1.2 矢量光场在光镊中的应用

1.2.1 Richards-Wolf矢量衍射理论

1.2.2 径向偏振光和角向偏振光聚焦特性及其应用

1.2.3 矢量光场在光镊中的应用

1.3 光镊技术的应用现状

1.4 本文主要研究内容

第二章任意紧聚焦柱矢量涡旋光场的Gouy位相和波前间距研究

2.1 引言

2.2 柱矢量涡旋光场的紧聚焦特性

2.3 紧聚焦柱矢量涡旋光场的Gouy位相分布

2.3.1 非涡旋紧聚焦柱矢量光的Gouy位相研究

2.3.2 拓扑荷数m= ±1 的紧聚焦柱矢量涡旋光的Gouy位相研究

2.4 紧聚焦柱矢量涡旋光场的波前间距研究

2.5 本章小结

第三章球形中空焦斑捕获低折射率粒子

3.1 引言

3.2 光镊的结构与光力的计算

3.3 本章小结

第四章二维平顶焦场捕获粒子

4.1 引言

4.2 实验生成二阶庞加莱球光束

4.3 二阶庞加莱球光束的紧聚焦特性研究

4.3.1 结合Richard-Wolf理论推导焦场分布

4.3.2 平顶光场的生成

4.3.3 距离校准

4.4 基于平顶焦场的光镊研究

4.5 本章小结

第五章光镊系统的搭建

5.1 引言

5.2 矢量光场生成装置

5.3 光镊系统搭建

5.4 介质粒子的光学捕获实验

5.5 本章小结

第六章总结与展望

致谢

参考文献

作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王玉松

导师: 芮光浩

关键词: 光镊,光学微操控,涡旋光束,矢量光场,光场调控

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,物理学,无线电电子学

单位: 东南大学

基金: 国家自然科学基金(11504049),江苏省自然科学基金项目(BK20150593)

分类号: O43;TN24

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.002111

总页数: 60

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