光学手性焦场调控及其光力效应研究

作     者：李影 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：芮光浩

授予年度：2021年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：矢量光场 光镊 光学焦场的逆向设计 手性光场 手性分选 

摘      要：由于非接触和无损伤等特性,光镊技术被广泛地应用于物理学、纳米技术、光谱学、纳米热力学、软物质和生物学等多个领域。光镊技术依赖于光束与物质相互作用所产生的光力效应,而矢量光场由于其独特的聚焦特性及可自由调控的偏振态,为光学微操控领域的发展注入了新的活力。作为矢量光场的一种,手性光场在表征手性物质、对映选择性分离、手性传感、非线性光谱成像和不对称催化等领域具有广阔的应用。针对不同的应用需求,往往需要对光学焦场进行特殊的设计以产生合适的力学效应。传统的光学焦场设计方法多采用穷举式的正向设计,存在效率低耗时长等缺点。近年来,结合时间反演理论和理查德-沃尔夫矢量衍射理论的焦场逆向设计方法引起了人们的关注,这种技术手段能够高效实现衍射极限尺度下高精度光学焦场的设计,在单分子成像、尖端增强拉曼光谱、高分辨光学显微镜、粒子捕获和操纵等方面具有重要的应用价值。本文的研究创新在于:第一,提出了基于光学逆向设计方法的复杂手性光场的生成技术;第二,发展了基于复杂手性光场的纳米颗粒操控技术。本论文的主要内容包括:1.研究了具有任意自旋取向的光学焦场在操控粒子动力学行为上的应用。首先,基于时间反演理论设计了空间任意自旋取向的圆偏振光场,并对其进行实验生成;其次,计算了球形和椭球形瑞利粒子在具有任意自旋取向的光学焦场中的受力,证实了该焦场不仅可以实现对粒子的三维捕获,并且可以精确控制纳米粒子的稳定取向、自转方向和转动频率。2.研究了基于横向自旋横向光针光场对不同手性的纳米粒子进行横向分选的方法。首先,基于正交的电偶极子对阵列在4π系统中的辐射场对横向自旋横向光针光场进行了设计;其次,利用米氏散射理论计算了手性粒子的散射行为,并在偶极近似下计算了手性纳米粒子与横向自旋横向光针光场相互作用所产生的光力,发现光子自旋的横向分量产生了垂直于光传播方向的手性光力,能够对不同手性的纳米粒子实现横向分选。3.研究了任意取向手性偶极矩与手性粒子相互作用时的光力效应。首先,基于电、磁偶极子对在4π系统中的辐射场设计生成了具有任意取向的手性偶极矩;其次,探究了横向手性偶极矩与手性粒子相互作用所产生的手性光力与力矩作用,证实手性偶极矩能够在其振动方向的横向平面上实现手性粒子的分选。