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光扭矩中增益材料对其他材料光力矩的影响

光扭矩中增益材料对其他材料光力矩的影响

作者：李艮艳山西大学

学位级别：硕士

光学微操控技术,主要是研究当光照射到几十纳米或者几十微米量级的粒子上时会产生什么力学效果。自上世纪七十年代开始研究以来,人们发现其产生的光力不仅可以使物体沿着光传播方向运动,光力矩还可以使纳米微粒进行旋转,例如可以旋转细... 详细信息

光学微操控技术,主要是研究当光照射到几十纳米或者几十微米量级的粒子上时会产生什么力学效果。自上世纪七十年代开始研究以来,人们发现其产生的光力不仅可以使物体沿着光传播方向运动,光力矩还可以使纳米微粒进行旋转,例如可以旋转细胞分子,还可以使纳米晶体在溶液中实现旋转,且具有易操作、无损伤显著优点,为生物科学中纳米机械的应用和纳米技术的普及提供了更多选择,所以在生物、医学、细胞分子、临床手术等方面都成为了一个有力的助手,因此,光力矩的增大和采集具有很实际的应用意义。但是,如何产生较大的光力矩依然是一项很艰巨的任务,因为入射光的角动量有限,而角动量必须守恒。近年来,人们尝试了一些方法增大光力矩,例如有人把金属材料做成手性结构,通过等离子体共振可以增大光力矩,但是金属材料会产生很大的热效应,因而影响应用;还有人选择将原来的单层材料结构改变成双层材料结构,通过多重散射循环利用光,延长对光的俘获时间,从而增大光力矩,除此之外,还能在两层材料间产生较大的光扭矩,使物体转动,这种结构产生的力矩大且吸收少。可见,将单层结构改为双层结构,不失是增大光力矩的一种很有效的方法。我们知道,增益材料具有将光放大的作用,所以我们猜测在双层结构中使用增益材料后,能进一步有效地增大光力矩。基于以上研究背景,本文主要对双层结构中增益材料层对其他材料层光力矩的影响进行了详尽的研究,为光学微操控提供了更多选择。本文内容如下:第一章是研究背景,分为三个部分:光学微操控技术的发展概述,光学微操控技术的分类,最后一部分是介绍本文的内容。第二章是简要介绍本文的理论方法,首先是介绍多重散射理论计算散射场,其次是利用扩展的Mie理论计算光力和光力矩,并且我们给出了光力和光力矩的解析表达式。第三章是对数值模拟结果的分析,首先在第一节介绍本文中用到的各个参数符号。其次在3.2节中介绍判断数值结果是否准确的方法。然后在3.3节中分析增益材料对其它材料光力矩的影响,我们发现,在多球体组成的双层结构中,增益-损耗（无损耗）结构中的损耗（无损耗）材料层比单层损耗（无损耗）材料层的光力矩大大提高（增大一个量级）,并且在共振时会出现尖锐峰,上下两层材料发生相反方向的旋转,产生很大的光扭矩。增益-增益材料组成的双层结构,双层增益材料产生的光力矩和单层比没有明显增大,在共振处也会产生尖锐峰现象,但是两层材料产生相同方向的旋转,这与增益和其他材料结构的规律不同。第四章总结了本文,并对之后的研究工作进行展望。

关键词：光力矩光扭矩增益 PT对称 Mie粒子

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基于微纳结构光力和光力矩的研究

基于微纳结构光力和光力矩的研究

作者：郑励超山东师范大学

学位级别：硕士

近年来,光学镊子已经成为探测和操纵微小物体的强大手段。在生物学上,光镊已被广泛应用在捕获细菌或者对单个细胞的操纵。但是随着时代的发展,人们对于单一颗粒的操纵已无法满足生物医疗的要求,例如,捕获更加微小的微粒、病毒的筛选、... 详细信息

近年来,光学镊子已经成为探测和操纵微小物体的强大手段。在生物学上,光镊已被广泛应用在捕获细菌或者对单个细胞的操纵。但是随着时代的发展,人们对于单一颗粒的操纵已无法满足生物医疗的要求,例如,捕获更加微小的微粒、病毒的筛选、蛋白质和DNA片段的分选等等。另一方面,生物学的研究通常需要大量的实验数据来进行验证,因此传统光镊是存在着局限性的。目前传统光镊存在两个较大问题:1.在使用单聚焦激光束捕获亚波长颗粒会受到衍射极限的限制,由于较小的粒子需要更高和更紧密的光场来稳定捕获,所以这种紧密的焦点可能在捕获位置产生很大的功率密度的焦耳热问题,从而损坏需要捕获的粒子。2.单光束光镊仅仅只能够捕获或操纵一个颗粒,急需一个平台实现多粒子的捕获和分选。伴随着微纳结构的兴起,很多研究者开始探索该领域对于光镊的应用。科研人员发现,微纳结构不仅仅能够支持多颗粒的捕获还能够实现分选颗粒的有趣现象。科研人员最早关注的是表面等离激元,发现它可有效克服光的衍射极限,通过等离子体共振增强电场,在亚波长频率能够产生足够的光力,实现在相对较低的光功率下对纳米颗粒的捕获。然而,随着深入研究发现等离子体的缺点在光学频率下容易发生的强烈吸收损耗,等离子体纳米镊子会表现出焦耳热问题,可能导致热泳动和对流的问题,进而会降低捕获的稳定性。如果温度升高,甚至会导致水沸腾（在进行捕获的地方）,严重的情况下将会损坏样品。最近,随着高折射率的半导体的兴起被证明是一种有效的、低损耗的金属等离子体结构的替代品,研究者们认为由高折射率半导体制备的全介质微纳结构将会有效降低焦耳热问题。但是经过研究发现这些半导体无法形成有效的场增强,但是一些有趣的光学共振能够很好的解决这个问题。通过研究者们的不断探索,先后验证了基于Fano和Anaople模式的全介质微纳结构可以很好的实现高Q值和局域电场增强。本论文提出了一种更加显著的高Q值和场增强光学共振,根据基于连续域束缚态理论、环形偶极子、准导模等概念,创新性地设计了可在低功率激发下实现光学捕获的全介质微纳结构,并对它们产生的光力和光力矩进行了系统研究,还对相关全介质超表面的实验可行性和高效性进行了数值仿真和微纳加工实验验证。论文主要研究有以下工作:1.基于二维材料砷化镓铝（AlGaSe）设计了一种开槽圆盘的超表面。能够以1m W/μm的功率下激发,实现高Q谐振的全介质超表面。通过打破开孔槽的对称性,实现理想BIC向QBIC的转化,使具有无限品质因子的无辐射模式转变成有限品质因子的泄漏模式。为了支持波长为1550 nm的QBIC,而且我们基于实验的可行性,通过调整不对称D,获取了一个10^的品质因子,但是因为尺寸因素,在实验制备上存在很大挑战性。我们通过数值模拟无损耗的高折射率超表面在激发的准连续域束缚态实现了电场局域在开口槽内部,这将实现槽内捕获粒子的优点,在圆盘附近的颗粒上产生巨大的光力和光力矩,通过解析式和数据分析球形颗粒和棒状颗粒的不同运动状态,这将会实现同质不同形颗粒的高效筛选。2.提出了一种由双圆孔蓝宝石硅（SOS）构成的畸变光子晶体板,基于准导模念进行数值模拟。这一章节介绍准导模的色散曲线是导模色散曲线的折叠形式,在兼具QBIC高Q值的同时,其在波矢方向具有很好的稳定性,Q值基本不随角度变化。这种稳定性让我们十分有利于我们多颗粒的捕获和分选,基于实验的的可行性,我们通过改变孔径大小,在计算材料损耗的同时获得3228的品质因子,通过Comsol软件进行数值模拟光力和光力矩。然后我们通过镀膜、EBL、刻蚀等一系列微纳加工方法去摸索制备样品,为接下来验证准导模对于颗粒的捕获和筛选做准备。

关键词：准连续域束缚态全介质超表面光力光力矩准导模模式

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微粒在平面波干涉光场中的光力和光力矩研究

微粒在平面波干涉光场中的光力和光力矩研究

作者：修子恒广西科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：光学微操控光力侧向力光力矩

采用FDTD法计算复杂微转子所受光力和光力矩(英文)

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光学精密工程 2008年第5期16卷 778-783页

作者：翟晓敏黄文浩中国科学技术大学精密仪器与精密机械系安徽合肥230026

微转子是微机电系统(MEMS)的一个重要组成部分。为了能够设计、驱动具有复杂形貌的微转子,对其所受的光驱动力矩的光波动模型计算方法进行了研究。使用时域有限差分法分析微转子在光阱中散射光场的电磁场量,根据麦克斯韦尔力学张量方程... 详细信息

微转子是微机电系统(MEMS)的一个重要组成部分。为了能够设计、驱动具有复杂形貌的微转子,对其所受的光驱动力矩的光波动模型计算方法进行了研究。使用时域有限差分法分析微转子在光阱中散射光场的电磁场量,根据麦克斯韦尔力学张量方程得到微转子表面所受的力。最后,应用牛顿方程计算出其相应的旋转力矩和转速等信息。用基于此方法编写的模块化Matlab程序分析计算了一个本文设计制造的微转子,并与实验进行了比较,结果与200 r/min相符,表明此方法基本满足复杂形貌微转子驱动力计算要求,对设计微转子有着很好的应用前景。

关键词：微转子光镊光力矩时域有限差分法

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螺旋偏振矢量光束诱导的光学力矩研究

光子学报 2024年第11期53卷 73-82页

作者：牛瑞欣高文禹张强张亚楠周源李曼曼徐孝浩严绍辉姚保利中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室西安710119 中国科学院大学北京100049

基于时域有限差分法研究了微粒在螺旋偏振矢量光束中所受的自旋光力矩,以及光波长和微粒材料、尺寸对该力矩的影响。研究结果表明,该矢量光束能诱导使微粒自转的力矩;随着棒状粒子的尺寸增大,力矩量级呈现出先增大后减小的变化趋势,棒... 详细信息

基于时域有限差分法研究了微粒在螺旋偏振矢量光束中所受的自旋光力矩,以及光波长和微粒材料、尺寸对该力矩的影响。研究结果表明,该矢量光束能诱导使微粒自转的力矩;随着棒状粒子的尺寸增大,力矩量级呈现出先增大后减小的变化趋势,棒状粒子在长度为1μm时,自旋光力矩值最大。此外,由于共振的影响,具有复杂几何结构(如六边形、手性结构)微粒所受的自旋光力矩值比棒状粒子至少大一个数量级,且随光波长的变化情况更为复杂,同时,力矩的方向也会随激发光波长和微粒尺寸发生改变,因此粒子的自旋现象更加丰富。该研究揭示了一种无需依赖光学角动量的光致微粒自转方法,补充了虚坡印廷动量对粒子旋转操控的研究,在光学微操纵领域有潜在应用价值。

关键词：螺旋偏振矢量光束虚坡印廷动量米氏粒子自旋光力矩

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手性微粒在平面波光场中的光学操控研究

手性微粒在平面波光场中的光学操控研究

作者：石洪生广西科技大学

学位级别：硕士

光子携带动量,与微粒相互作用,会发生动量交换,从而产生光力和光力矩。基于光力和光力矩框架的光学操控,就是利用激光光束对微小粒子进行操控和物理特性研究。本文从理论上研究光力和光力矩以及追溯其物理起源,有利于精确控制它们的方... 详细信息

光子携带动量,与微粒相互作用,会发生动量交换,从而产生光力和光力矩。基于光力和光力矩框架的光学操控,就是利用激光光束对微小粒子进行操控和物理特性研究。本文从理论上研究光力和光力矩以及追溯其物理起源,有利于精确控制它们的方向和大小,进而为实际的光学操控技术应用提供理论参考。近年来,大多关于光学操控的研究主要聚焦于两部分:一方面利用不同光场来操控微粒,所表现出的一些新颖的推、拉、捆绑、旋转等现象吸引了广大研究者的关注。另一方面在操控不同特性的微粒上,胶体球、电介质球、金属纳米球等材质的微粒已经得到了广泛的研究。然而,具有几何不对称性质的手性物质,在自然界中广泛存在,因计算较为复杂,对其求解还有待进一步研究。随着手性药物、手性分子和手性材料的发展,对手性微粒的识别与分离提出了新的要求。基于此,本文主要致力于从理论计算上研究手性微粒在平面波光场中的光力及光力矩,主要包括以下两个方面:(1)研究一对手性微粒在线性偏振平面光场中的光学捆绑和侧向力的问题。采用基于全波模拟和偶极展开近似的方法,计算了4种成对的具有不同手性组合情况下手性粒子上产生的捆绑力和侧向力。其中捆绑力呈现出大小相等方向相反的特点,且对手性参数不敏感。在x和y偏振光场中,分别在粒子距离为1.25倍和1倍波长处产生捆绑。并且经过溯源分析发现不同组合下有着相同的物理起源:由粒子间多重散射所诱导的梯度力。该发现可以用来在平面波光场中同时束缚两个手性粒子。与此同时,侧向力呈现只要有一个粒子有手性就能被诱导出的特点,依赖于粒子的手性并且有多个起源:除了梯度力外,还有辐射力、涡旋力和自旋力产生贡献。通过改变入射光偏振和手性参数可以调控出不同行为的侧向力,进一步可以依据在平面波光场中侧向力产生的特点,将手性微粒推向一侧或者绕质心旋转等操作。这些发现为实验上分离和筛选手性粒子提供了有价值的理论参考。(2)研究单个手性微粒在平面光场中的光力及光力矩的边界问题。采用基于广义洛伦兹米理论和多极展开理论的方法,发现在电场沿x极化和左圆极化的光场中,入射波长与粒子尺寸相比拟时,手性粒子上会诱导出多极子,其中四极子项对光力和光力矩的贡献最大。通过进一步的考察,发现在多极耦合情况中,手性项在光力和光力矩中产生的贡献占据主导地位,在数值上已经超过了电多极子产生的贡献。值得注意的是,消光截面与光力和光力矩保持着相同的变化趋势,在波长为0.3微米处能够达到上界,且横截面与光力和光力矩的峰值一一对应。这些发现为操控平面波中的手性微粒上的光力和光力矩提供了新的思路。

关键词：光学操控光力光力矩手性全波模拟多极展开

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涡旋光阱中微粒所受的轴向光阱力及力矩研究

涡旋光阱中微粒所受的轴向光阱力及力矩研究

作者：宗兆玉哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

光镊是应用高数值孔径的显微物镜会聚光束形成的三维光学势阱来俘获、操控微纳米粒子的技术。传统的光镊技术一般采用基模高斯光束作为光源,随着研究的深入,科研人员发现一些特殊的光束也可以应用到光镊技术中。特殊光束光镊可以改善系... 详细信息

光镊是应用高数值孔径的显微物镜会聚光束形成的三维光学势阱来俘获、操控微纳米粒子的技术。传统的光镊技术一般采用基模高斯光束作为光源,随着研究的深入,科研人员发现一些特殊的光束也可以应用到光镊技术中。特殊光束光镊可以改善系统的性能指标,并可以实现新奇的操控目标。研究涡旋光场中中间尺度的球体微粒和圆柱体微粒的光阱力信息和俘获行为则为特殊光镊系统的优化设计以及微纳米电子器件的实用化提供理论指导。本论文系统地研究了拉盖尔-高斯涡旋光阱中粒子的动力学信息。基于数值工具仿真模拟了涡旋光束的三维螺旋状相位结构以及环形光强分布,研究了不同模式的拉盖尔-高斯涡旋光束的横向光强特性。设计出涡旋光束的相位信息图,并利用空间光调制器在实验上调制出不同拓扑荷值的涡旋光束。研究了涡旋光阱中各向同性的球体微粒的轴向俘获效率。引入传输矩阵算法,基于广义洛仑兹米氏理论将激光光束展开为矢量球面波函数,给出球形对称微粒的传输矩阵并计算不同参数对微粒的轴向俘获效率的影响。结果表明,相同条件下,入射波长越短、束腰半径越小的拓扑荷值为1的涡旋光束所形成的势阱最深。研究了中间尺度的圆柱体微粒在涡旋光阱中的俘获行为。利用扩展边界条件法给出圆柱体微粒的传输矩阵,并基于传输矩阵算法研究了圆柱体微粒在涡旋光阱的光力矩效率。研究结果表明:高长径比的圆柱体微粒在LG01光阱中趋向于沿光轴取向,光束的拓扑荷值、束腰半径以及偏振状态都会影响到微粒的光力矩效率。在获知了圆柱体微粒在光阱中的取向后,进而研究了圆柱体微粒的轴向俘获效率。结果表明:相同条件下,LG01光阱对圆柱体微粒的俘获能力优于基模高斯光阱,由右旋圆偏振LG01光束形成的光阱深度高于其他偏振态。构建了对向传输双涡旋光阱,分析了圆柱体微粒在双涡旋光阱中的扭转以及各相关因素对圆柱体微粒的轴向俘获效率的影响。研究发现,相同条件下,圆柱体微粒在双涡旋光阱和单光束光阱中的扭转行为一致。双涡旋光阱关于中心对称,当两束光不相干时,该光阱对微粒的总轴向俘获效率相当于沿+z方向的轴向俘获效率与沿-z方向的轴向俘获效率的线性叠加;当两束光满足相干条件时,光阱将产生部分振荡。对向传输双光阱不仅可以俘获高折射率的圆柱体微粒,也可以在大束腰半径下夹持住微粒。焦点重合的对向双光束形成的光学势阱最深,焦点的偏离将降低光阱深度。

关键词：光镊轴向光阱力光力矩涡旋光束

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柱矢量光场传输及辐射力特性研究

柱矢量光场传输及辐射力特性研究

作者：白治东山东理工大学

学位级别：硕士

偏振是光的一个重要性质。光的这种矢量性质及其与物质的相互作用可以产生许多奇特的光学现象。近年来,柱矢量(cylindrical vector,CV)光束因其独特的偏振和聚焦特性,在高分辨成像、光学存储、纳米光刻、光学捕获、粒子加速等领域得到... 详细信息

偏振是光的一个重要性质。光的这种矢量性质及其与物质的相互作用可以产生许多奇特的光学现象。近年来,柱矢量(cylindrical vector,CV)光束因其独特的偏振和聚焦特性,在高分辨成像、光学存储、纳米光刻、光学捕获、粒子加速等领域得到了广泛的关注。因此,探究与调控CV光束的紧聚焦特性是一项重要的课题。本文基于Richards-Wolf矢量衍射理论,结合螺旋相位对光束的波前调制,系统的研究了CV光束的紧聚焦特性及粒子在紧聚焦光场中的光学力特性,主要研究内容如下:1.基于矢量衍射理论,推导并建立了紧聚焦CV光束的电场和坡印廷矢量分布解析式。讨论了偏振指数、偏振初始位相、螺旋相位的拓扑荷对紧聚焦场分布的影响。2.在紧聚焦径向和角向偏振光中加入传统的螺旋相位,得到了焦平面上具有旋转对称的横向能量流环。进一步设计了环形的相位掩模,实现了对紧聚焦径向和角向偏振光场横向能量流的多边形调控。这种特殊的效果能够使可吸收颗粒可以沿着更灵活的路径运输。3.研究了紧聚焦CV光场对粒子的光辐射力作用。数值计算了紧聚焦CV光场中的自旋角动量、粒子上的光学力和光力矩大小。结果表明,自旋角动量的方向和大小,以及粒子上的光学力和自旋力矩,都可以通过改变输入光束的偏振态来改变。此外,通过改变粒子的本身特性,可以进一步控制自旋力矩的大小。4.理论上证明了可控捕获范围的光学捕获是可能的。我们在4π紧聚焦系统中,构建了长度和亚波长宽度可控的焦点。通过详细的力场分析,发现金属粒子可以被三维捕获在焦场中。此外,根据需要改变参数,可以很容易地调整捕获范围。

关键词：偏振柱矢量光束光学涡旋光学力光力矩捕获范围光镊