结构光束的聚焦辐射力及其应用

论文摘要

强聚焦的激光光束能形成捕获微粒的三维势阱,这种三维势阱称之为光镊。光镊不但可以无接触式的操控微小物体,而且具有强大的兼容性。我们可以耦合不同的结构光束进入光镊系统,得到不同的现象。例如,Bessel光束在光镊系统能在多个平面中同时捕获多个粒子;空心光束能减少能量热损伤的同时增加轴向捕获力;径向偏振光束相比于其他偏振态光束,能更容易地捕获特殊微粒;涡旋光镊能利用其轨道角动量带动微粒旋转;在本学位论文中,我们研究不同结构光束其聚焦特性和对微粒的辐射力情况。主要工作包括:1.基于Debye积分理论,利用线偏振环形部分相干光束经过大数值孔径紧聚焦原理,研究了数值孔径和光束相干长度的变化对焦场处微粒的捕获情况。研究结果表明:数值孔径与相干长度对其轴向辐射力影响明显,数值孔径变大使光斑变小,同时产生很强的梯度力,而相干长度的减少会使得聚焦光斑在轴向生成一个均匀光针,由于光针在轴向的均匀性,会导致很弱的轴向梯度分布,不利于更好的捕获粒子。2.基于Wolf-Richards的矢量衍射理论和瑞利散射理论,数值仿真了径向偏振条件下环形部分相干光束经过紧聚焦后光场和辐射力变化。研究发现:在大数值孔径聚焦的过程中,可以对聚苯乙烯小球进行稳定地三维捕获。此外还发现通过选取合适的相干长度,得到超长的光针和暗道。通过光针和暗道对光学捕获的仿真,发现无论是光针还是暗道理论上都是不太可能对微粒进行光学捕获的。3.实验上,我们实现涡旋光束对微气泡的捕获,比较了涡旋光束中不同拓扑荷数和功率对横向捕获力的影响。实验结果表明:拓扑荷数越小,横向刚度系数越大,低拓扑荷数的涡旋光束更具有横向捕获力。

论文目录

摘要

abstract

第1章引言

1.1 研究背景

1.2 研究动机与目标

1.3 本论文主要内容及各章节安排

第2章研究的基础理论

2.1 大数值聚焦理论基础

2.1.1 Debye标量近似理论

2.1.2 切趾函数

2.1.3 Debye矢量理论

2.2 光镊的基本原理

2.2.1 梯度力和散射力

2.2.2 电磁理论模型

2.2.3 稳定捕获条件

2.2.4 光镊力的测量

第3章线偏振环形部分相干高斯光束的紧聚焦特性和对微粒的辐射力

3.1 线偏振环形部分相干高斯光束的深聚焦

3.1.1 线偏振环形部分相干高斯光束深聚焦的理论分析

3.1.2 线偏振环形部分相干光束的深聚焦特性分析

3.2 线偏振环形部分相干光束对微粒的聚焦辐射力

3.2.1 线偏振环形部分相干光束对微粒的聚焦辐射力的理论分析

3.2.2 线偏振环形部分相干光束深聚焦后轴向辐射力分析

3.3 本章小结

第4章环形部分相干径向偏振高斯光束的紧聚焦及力的研究

4.1 环形部分相干径向偏振光束深聚焦理论

4.2 环形部分相干径向偏振高斯光束深聚焦的特性和力的研究

4.2.1 环形部分相干径向偏振高斯光束深聚焦的光强特性

4.2.2 环形部分相干径向偏振高斯光束对PS小球的紧聚焦辐射力

4.3 本章小结

第5章涡旋光束对微气泡的捕获及辐射力的测量

5.1 涡旋光束对微气泡的捕获及辐射力的测量

5.1.1 理论部分

5.1.2 实验结果

5.2 本章小结

第6章本文的主要结论及创新点

6.1 本文的主要结论

6.2 主要创新点

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周晓鸣

导师: 蒲继雄

关键词: 大数值孔径聚焦,环形部分相干光束,光针,暗道,涡旋光束,捕获力

来源: 华侨大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 华侨大学

分类号: TN24

总页数: 66

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