光俘获粒子的物理机制研究

作     者：黄迪 

作者单位：华东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杜骏杰

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：光学俘获 光力 Mie散射理论 梯度力 散射力 

摘      要：在过去的50年中,光学微操控逐渐成为物理学,化学和生物学等领域中不可或缺的重要技术。光学微操控的对象可以是几十纳米到几十微米量级的粒子,在生物学上,这意味着它可用于在单分子或者细胞、亚细胞水平上研究生物学过程,并且不会对细胞造成破坏。光学微操控最重要的成果之一是稳定地俘获原子或微观物体,而光镊是实现稳定的光学俘获最基础也是最常用的手段之一。然而,与光学俘获广泛的实验应用相对比,其理论研究却相对不完善。自Ashkin在1983年和1992年分别给出小尺寸瑞利粒子和大尺寸几何粒子的光学俘获严格解释后,中间尺度的米氏粒子的光俘获一直没有完整清晰的理论解释。主要是因为分别严格计算出米氏粒子所受的梯度力和散射力是一个未解的难题,而梯度力和散射力对于探讨光学俘获的物理机制至关重要。本文将基于数值和解析的方法来讨论光镊系统下光俘获粒子的机制。米氏粒子光学俘获一直被认为是保守的梯度力比非保守的散射力数值上更大引起的。这个理解应该来自瑞利粒子光学俘获的物理解释,因为米氏粒子被认为是瑞利粒子的简单延伸。但我们的研究发现并不是这样的,基于对任意大小尺寸粒子的梯度力和散射力的严格分离,我们发现在某些方向上,米氏粒子所受散射力的最大值大于梯度力最大值,直观理解这样会导致俘获的失败,但事实并不是这样。梯度力最大值和散射力最大值并不作用在同一条线上,而是创造了“光力阱。当靠近“光力阱的边界时,粒子会被梯度力拉回“光力阱的中心,而比梯度力最大值还大的强散射力存在于“光力阱之外。因此,米氏粒子的光学俘获应归因于“光力阱的构建,而不是梯度力和散射力的大小比较上。我们还对“光力阱的几何性质进行了研究,发现“光力阱近似地是一个处于光束中心的三维球形空间。同时通过对“光力阱的定量分析,我们发现“光力阱的半径与被俘获的粒子半径大致相等。我们的结果可能会有助于理解包括胶体粒子和生物大分子在内的米氏粒子的囚禁、排布、分类,以及腔光力学中冷却和纳米机械运动等微操控和现象。