结构化背景中的光学牵引力和横向力

论文摘要

光与物质相互作用过程中,光场和物体之间的动量交换所导致的物体动量随时间的变化率称之为光的力学效应。目前,基于光力效应的操控技术是控制微纳物体运动状态的最佳手段,其具有非接触、无破坏、精确、快速等优点,在生物、化学、纳米、量子等众多领域都具有重要应用前景。近年来,光学牵引力和光学横向力这两种非传统光力的研究受到广泛地关注。通过光场、物体及结构化背景之间复杂的相互作用和动量交换,可以实现对物体更多维度的光学操控。本文主要聚焦在结构化背景中微纳尺度物体的异常光力研究:光子晶体背景调制下的光学牵引力产生及物理机制;空气-水界面上手性小球的光学横向力产生及反转效应。基于光子晶体背景对光场的强大调节能力,研究了光子晶体中基于强度梯度力的光学牵引效应。研究了光子晶体衰减模中不同尺寸和折射率小球的受力情况:在弱散射情况下,衰减模的梯度力占主导,小球受到光学牵引力;在散射较强时,散射力提供的光学推力起主要作用。因此实现了强散射粒子和弱散射粒子的分选。构建弯曲的光子晶体波导通道,实现了粒子曲线路径的光学牵引。通过能带求解和分析,构建了支持自准直模传输的光子晶体结构,研究了散射体在该特殊布洛赫模中的光学力。通过物体几何参数和光学参数的调节,得到了物体受到光学牵引的条件。通过对牵引光力的深入分析发现光学牵引力主要是由物体内部局域光场的强度梯度产生的,而该强度梯度则是由物体自诱导而产生的。并讨论了该牵引力的带宽特性、与入射角度的依赖关系,以及对结构随机扰动的鲁棒性,并基于光子晶体自准直模的自恢复特性,讨论了多个物体同时牵引的方案。研究了光子晶体通道中基于模式转换的光学牵引力。设计了支持双模传播的光子晶体波导,理论分析表明这两个模式携带不同的前向动量密度。当入射模为低动量密度模式时,由散射体所引发的模式转换会造成光场前向动量放大,从而对散射体产生光学牵引力,分析了不同散射分量对光学牵引力的影响。理论推导出了基于模式转换和动量守恒原理的牵引光力表达式,并与数值模拟结果完全吻合。由于所提出的系统具有在非共振情况下工作的特点,所以可在宽频范围内实现模式转换并产生光学牵引力。进一步研究表明,物体在通道中的后向散射对光学牵引力的产生有抑制作用,因此提出通过引入拓扑机制来消除通道中的后向散射。并基于此构建了具有单向传播特性的双模拓扑光子晶体波导,从而更有效率地实现对物体的光学牵引。研究了空气-水界面背景中手性粒子的横向光力。本文建立了空气-水界面上手性粒子的受力模型,研究手性Mie粒子在光束倾斜入射情况下受到的光学横向力。结果发现,不同于偶极近似下的手性小球横向力的方向仅仅与手性有关,Mie粒子所受横向光力的大小和方向不仅与手性有关,还与小球的尺寸,入射光方向有关,并发现了光学横向力反转效应。基于坡印廷矢量分布,给出了光学横向力及其反转效应的解释。详细讨论了入射角度、入射偏振、小球尺寸、小球手性参数和手性不均匀对光学横向力及其反转效应的影响。光学牵引力和光学横向力的研究,为光操控提供了新的自由度,极大丰富了光操控技术的功能和应用范围,同时也深刻揭示了光与物质相互作用的机理。本论文的研究对光操控的理论和技术应用都有重要价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 光力效应的研究背景
•   1.2 反常光力研究
•     1.2.1 光学牵引力
•     1.2.2 光学横向力
•   1.3 结构化光学背景
•   1.4 光力计算的理论基础
•     1.4.1 麦克斯韦力学张量计算光力
•     1.4.2 射线光学动量分析计算光力
•   1.5 论文的主要研究内容
• 第2章 光子晶体通道中的强度梯度牵引力
•   2.1 引言
•   2.2 基于光子晶体波导衰减模的光学牵引力
•     2.2.1 光子晶体波导中的衰减模
•     2.2.2 衰减模场中的光学牵引力
•     2.2.3 有效操控距离的调控
•   2.3 光子晶体通道中的自牵引光力
•     2.3.1 光子晶体中的自准直模
•     2.3.2 物体在自准直模中的光学牵引力
•     2.3.3 物体的自牵引机理
•     2.3.4 光学牵引力的稳定性分析
•     2.3.5 多物体的光学牵引力
•   2.4 本章小结
• 第3章 双模波导中基于模式转换的光学牵引力
•   3.1 引言
•   3.2 双模光子晶体波导中的光学牵引力
•     3.2.1 双模波导的构建及模式分析
•     3.2.2 光学牵引力的产生及机理分析
•     3.2.3 牵引的稳定性分析
•   3.3 单向拓扑光子晶体波导中的光学牵引力
•     3.3.1 单向双模拓扑光子晶体波导的构建及模式分析
•     3.3.2 光学牵引力的产生及机理
•   3.4 本章小结
• 第4章 空气-水界面上手性粒子的横向光力
•   4.1 引言
•   4.2 手性粒子的光力计算
•     4.2.1 手性粒子的物质方程
•     4.2.2 均匀空间中手性粒子的光力计算
•   4.3 空气-水交界面上手性微球的光学横向力
•     4.3.1 手性Mie小球的光学横向力
•     4.3.2 横向光力的反转
•   4.4 横向动量传递机制
•   4.5 横向力反转效应的产生条件
•   4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
• 致谢
• 个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 朱彤彤

导师: 姜泽辉,丁卫强

关键词: 光学牵引力,光学横向力,光子晶体波导,光学拓扑

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: O43

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.000389

总页数: 107

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