微粒在平面波干涉光场中的光力和光力矩研究
作者单位:广西科技大学
学位级别:硕士
导师姓名:陈华金
授予年度:2022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]
摘 要:光携带动量,可以和在它传播路径上的物体发生动量交换,从而对物体施加光力和光力矩。对于宏观微粒来说,它们微乎其微,可以忽略,但是对于纳米到微米量级的微粒影响非常明显。如今,基于光力和光力矩的光学微操控技术已经逐渐成熟,广泛应用于物理学、化学、生物学、医学等多个学科领域。光学微操控技术的快速发展,已成为实验学科重要的分支。受限于其理论计算和分析的复杂性,光学微操控技术的部分物理机理还有待于进一步探究。本文研究了任意尺寸大小的球形微粒在由任意个圆偏振平面波形成的干涉光场中受到的光力和光力矩,主要包括以下两个方面。(1)基于广义Lorenz-Mie方法和Maxwell应力张量理论,本文展示了由多个圆偏振平面波形成的干涉光场可以在球形微粒上诱导一个侧向光力。该力在垂直于光场的方向上具有平移不变性。考察了两个或三个圆偏振平面波形成干涉场情况下的侧向力。数值结果表明,侧向光力的空间分布模式总是由入射光场本身的坡印廷矢量所决定,而微粒的尺寸和材料成分只影响该力的幅值,并不影响它的空间分布。此外,侧向力的幅值与光力的另外两个分量可相比拟。解析结果表明,该侧向力来源于由在微粒上激发的多极子之间干涉而产生的散射力。(2)基于全波模拟方法和多极展开理论,本文研究了球形微粒在平面波干涉光场中受到的光力矩。该干涉场由具有相同偏振的三个或多个平面波组成。对于由三个波矢构成等边三角形光场的情况,研究发现沿着z方向上光力矩的方向与入射光场的自旋角动量密度相反,即存在负光学力矩的现象,且其幅值大于光力矩的其它两个分量。另外,还发现微粒的吸收越大,其受到的光力矩就越大。最后对这些光力矩的物理来源进行分析,发现光力矩是由拦截力矩和回复力矩产生的。