圆形艾里涡旋光的特性研究及其在微操控中的应用

论文摘要

光操控技术具有非接触、无损伤与高精度操控微小尺度粒子的特点,自发明以来被广泛应用于物理、化学、生物医学、材料等学科的前沿领域,同时各领域对其应用也提出了新的要求。相对于贝塞尔光束和高斯光束,圆形艾里涡旋光束具有独特的自聚焦特性。该光束应用于微粒操控时在焦点处具有更强的梯度力,能够提高粒子捕获的稳定性;同时其也能够绕开障碍物到达目标和推着粒子沿抛物线轨迹运动。因此,基于圆形艾里涡旋光的光镊技术能够极大地丰富和增强光学微操控的功能,可以弥补传统高斯光镊技术的不足,是近几年的一个研究热点。影响圆形艾里涡旋光微操控系统性能的关键问题包括圆形艾里涡旋光的产生、传输、深聚焦特性、微粒所受光学力、系统实现等。本文在对上述几个关键问题进行深入研究的基础上,搭建微粒操控系统,实现二氧化硅颗粒的捕获和旋转。主要研究内容和创新点包括以下四部分:(1)基于数字全息技术和空间光调制器,构建圆形艾里涡旋光的产生系统,实验研究并给出了圆形艾里涡旋光各参数对自聚焦、自修复特性的影响。结合数值仿真和实验研究了圆形艾里涡旋光在焦点处的光强分布、焦距与输入光的截止系数、尺度因子、第一主环半径、束腰半径及拓扑荷之间的关系;实验研究了圆形艾里涡旋光的自修复和涡旋特性。表明可通过调节圆形艾里涡旋光的参数以改变其焦距和焦点处的光强分布,圆形艾里涡旋光在传输过程中涡旋特性不会发生变化,并具有较强的自修复性。(2)利用数值仿真研究圆形艾里涡旋光的各参数和偏振态对其深聚焦特性的影响,提出了在焦平面处产生超长焦深、纵向光强较大或亚波长大小光斑的方法。基于德拜矢量衍射理论推导并仿真X向线偏振、Y向线偏振、左旋圆偏振、右旋圆偏振、径向偏振和角向偏振的圆形艾里涡旋光经高倍物镜深聚焦后的光强分布;重点研究径向偏振圆形艾里涡旋光在焦点处的光强分布、光斑大小和焦深与输入光束的拓扑荷数、截止系数、尺度因子、第一主环半径及高倍物镜的数值孔径值之间的关系。因此,通过合理地选取径向偏振圆形艾里涡旋光的参数及物镜的数值孔径值,在焦平面处可以产生超长焦深、纵向光强较大或亚波长大小的光斑。(3)利用瑞利散色模型研究圆形艾里涡旋光各参数对粒子所受光学力和光力矩的影响。截止系数和尺度因子增加或者第一主环半径和拓扑荷减少时,粒子所受辐射力增强,有利于稳定捕获;尺度因子和第一主环半径的增加时,稳定操控的位置向物镜方向移动。随着拓扑荷增加粒子所受的光力矩先增大后变小。本文中首先推导圆形艾里涡旋光束对瑞利颗粒的梯度力和散色力,分析比较线偏振、左旋圆偏振、右旋圆偏振、径向偏振和角向偏振对光操控效果的影响;重点研究右旋圆偏振圆形艾里涡旋光各参数,如拓扑荷数、截止系数、尺度因子、第一主环半径对梯度力、散色力和操控位置的影响;最后研究光力矩与拓扑荷、微粒吸收系数之间的关系。(4)在上述研究的基础上,基于空间光调制器搭建圆形艾里涡旋光的光操控系统,实现二氧化硅微粒的捕获和旋转。再利用该系统实验研究微粒旋转速度与拓扑荷之间的关系;验证圆形艾里涡旋光自聚焦和沿抛物线传输的特性。拓扑荷增加时微粒旋转速率先增加后减少;改变拓扑荷的符号可使微粒沿圆形艾里涡旋光进行反方向旋转。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•     1.1.1 光镊的提出
•     1.1.2 全息光镊
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 本文的研究目标和内容
• 第二章 圆形艾里涡旋光的产生及传输特性研究
•   2.1 艾里光的基本理论
•     2.1.1 理想艾里光束简介
•     2.1.2 一维有限能量的艾里光束
•     2.1.3 二维有限能量的艾里光束
•     2.1.4 圆形艾里涡旋光束的理论基础
•     2.1.5 光的传输理论基础
•   2.2 艾里光的产生与传输特性研究
•     2.2.1 实验系统搭建
•     2.2.2 实验结果及分析
•   2.3 圆形艾里涡旋光的产生与传输特性研究
•     2.3.1 实验装置
•     2.3.2 圆形艾里涡旋光的自聚焦特性
•     2.3.3 圆形艾里涡旋光的奇点特性
•     2.3.4 圆形艾里涡旋光的自修复性
•   2.4 本章小结
• 第三章 圆形艾里涡旋光的深聚焦特性研究
•   3.1 深聚焦理论基础
•   3.2 深聚焦的数值仿真
•     3.2.1 X向线偏振光
•     3.2.2 Y向线偏振光
•     3.2.3 左旋圆偏振光
•     3.2.4 右旋圆偏振光
•     3.2.5 径向偏振光
•     3.2.6 角向偏振光
•   3.3 圆形艾里涡旋光各参数对深聚焦特性的影响
•     3.3.1 拓扑荷对深聚焦特性的影响
•     3.3.2 截止系数对深聚焦特性的影响
•     3.3.3 尺度因子对深聚焦特性的影响
•     3.3.4 第一主环半径对深聚焦特性的影响
•     3.3.5 NA值对深聚焦特性的影响
•   3.4 应用
•   3.5 本章小结
• 第四章 圆形艾里涡旋光作用于微粒的光学力研究
•   4.1 粒子捕获的基本理论
•     4.1.1 几何光学模型
•     4.1.2 米氏模型
•     4.1.3 瑞利模型
•   4.2 圆形艾里涡旋光作用于瑞利粒子的光学力研究
•     4.2.1 偏振态对粒子捕获稳定性的影响
•     4.2.2 右旋圆偏振圆形艾里涡旋光束对高低折射率粒子的捕获
•     4.2.3 不同参数的输入光对粒子捕获稳定性分析
•   4.3 圆形艾里涡旋光对瑞利微粒的光力矩
•   4.4 本章小结
• 第五章 基于圆形艾里涡旋光的微粒操控系统
•   5.1 实验系统的构建
•     5.1.1 器件的选择
•     5.1.2 系统结构
•   5.2 全息图的生成
•   5.3 微粒操控的实验结果
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 研究总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
• 作者在攻读博士学位期间所参加的科研项目
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈木生

导师: 黄素娟

关键词: 全息光镊,光操控,圆形艾里涡旋光,自聚焦,光学力

来源: 上海大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 上海大学

基金: 国家自然科学基金项目:无旁瓣光学涡旋阵列的研究(61475098),上海市科委科研计划项目:基于涡旋光束的膀胱癌细胞操控和筛选(1440500100)

分类号: O43

DOI: 10.27300/d.cnki.gshau.2019.000114

总页数: 105

文件大小: 12326K

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