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手性光场的操控与应用

手性光场的操控与应用

作者：赵瑞山东理工大学

学位级别：硕士

在激光技术迅速发展的现代社会,众多科研工作者致力于研究对光场的调控,以此充分挖掘和利用激光的潜能。作为表征光场分布的重要参数,同时也作为控制光束的多个自由度,光场的频率、相位、振幅、偏振和相干性等在光场调节技术和功能光学... 详细信息

在激光技术迅速发展的现代社会,众多科研工作者致力于研究对光场的调控,以此充分挖掘和利用激光的潜能。作为表征光场分布的重要参数,同时也作为控制光束的多个自由度,光场的频率、相位、振幅、偏振和相干性等在光场调节技术和功能光学元件的工程应用领域引起了科研人员的关注,并因此成为研究热点。众所周知,在光学和纳米光子学的应用中,光束整形技术起着相当重要的作用。其中,手性光场作为光束整形中的重要结构光场之一,在进行超快激光加工、手性微纳刻蚀以及超分辨显微成像等领域,呈现出更多的优良光学特性。本文首先介绍了矢量涡旋光场调控技术及其在国内外的前沿研究,同时本论文研究了多个自由度对手性光场操控的影响,以及手性光场操控在粒子分选中的应用,主要研究内容概括为以下几个方面:1.在Richard-Wolf矢量衍射理论的指导下,在理论上推导了经高数值孔径物镜聚焦的局域线偏振矢量涡旋光束在焦场的电场表达式,以及典型偏振涡旋光束基于该模型的广义积分公式。2.由于手性光与物质之间的相互作用可以诱发许多新的现象,因此对手性光场的研究备受关注,研究分析了多种产生手性光场的方法,以及利用手性光场在手性对映体的识别与分离的应用。3.通过控制入射庞加莱光束的偏振、椭圆度、利手性和相位等,研究手性光场在紧聚焦系统的焦平面上的光场特性,以及研究多种自由度对手性光场的手性密度、手性流密度、电场自旋密度、能流通量的影响。4.基于偶极子近似,推导了在经过高数值孔径后焦场的电磁场作用下,施加在手性纳米颗粒上的光学作用力。在理论上分析利用紧聚焦径向偏振涡旋光束实现纳米粒子选择性识别与分离的可能性,因此建立纳米粒子在紧聚焦径向偏振涡旋光束的受力模型,通过控制拓扑荷实现相反手性的手性纳米粒子的识别与捕获。

关键词：手性光场矢量光场光场调控矢量衍射理论光学力光学操纵

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基于相位调制的手性光场特性研究

基于相位调制的手性光场特性研究

作者：杨大海哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在光学和纳米光子学的应用中,光束整形技术起着相当重要的作用。其中手性光场作为光束整形中的重要光场结构之一,在进行超快激光加工、手性微纳刻蚀以及超分辨显微成像等时,具有更多的优良特性。例如:具有更多可控自由度的手性光场可以... 详细信息

在光学和纳米光子学的应用中,光束整形技术起着相当重要的作用。其中手性光场作为光束整形中的重要光场结构之一,在进行超快激光加工、手性微纳刻蚀以及超分辨显微成像等时,具有更多的优良特性。例如:具有更多可控自由度的手性光场可以进行三维扭臂微纳手性结构的刻蚀。本文基于涡旋光场螺旋形相位分布的特点,使用纯相位型液晶空间光调制器(SLM)实现了手性光场的调控,并对手性光场的产生方法和光场特性进行了深入研究。本文的主要研究内容如下:基于坐标变换矩阵和旋转矩阵的相位计算方法,提出了一种旋转方位可控的复用椭圆涡旋。该方法也可实现高阶拉盖尔-高斯(HLG)涡旋的调控。通过理论仿真得到了离心率和方位角可控的椭圆涡旋和复用HLG的光场和相位分布,并进行了实验验证,理论仿真和实验测量结果相符。旋转椭圆涡旋和HLG涡旋都可应用于粒子加速以及进行量子纠缠通信等。基于环形分区涡旋组合相位调制方法,提出了光斑大小和方向可控的手性光场。通过改变不同的环形分区组合相位分布以及分区相位之间的相位梯度关系,能够有效的调控手性光场的光场瓣形分布。通过控制锥形系数、环形分区相位之间梯度拓扑荷数的正负和大小,可同时实现手性光场的大小、方向和空间分布形状的自由调控。环形分区组合相位的提出,优化了利用相干的方法产生手性光场的方式。产生的可控光场可直接应用于微纳材料的刻蚀,可产生更为丰富的三维空间结构。提出了多参量可调的手性光场与手性光场阵列。通过引入调控旋转椭圆涡旋的方法,可实现手性光场调制的多参量可调,克服了单一的通过环形分区相位梯度的正负来控制手性光场方向的约束;可以自由地调制手性光场空间分布和离心率的变化。多波长的手性光场调制实验表明,手性光场的可控自由度达到五个,分别是形状、大小、方向、离心率和阵列数量。手性光场阵列的提出,进一步提升了手性光场在光信息存储、大容量光通信以及多光谱光子成像等方面的潜在应用价值。

关键词：光场调控相位调制涡旋光椭圆涡旋光手性光场

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可调谐手性结构光场的产生及调控

光学学报 2024年第8期44卷 265-272页

作者：叶文妮胡俊涛应志豪王逸舒钱义先浙江师范大学物理与电子信息工程学院浙江金华321004 浙江省光信息检测与显示技术研究重点实验室浙江金华321004

提出一种环形相位构造方法,并通过实验产生了一种可调谐手性结构光场。在螺旋相位的基础上引入径向相位与等相相位形成环形子相位,在平面波上加载该相位产生单环手性结构光场。进一步利用相位叠加原理,组合多个不同环形子相位构成一个... 详细信息

提出一种环形相位构造方法,并通过实验产生了一种可调谐手性结构光场。在螺旋相位的基础上引入径向相位与等相相位形成环形子相位,在平面波上加载该相位产生单环手性结构光场。进一步利用相位叠加原理,组合多个不同环形子相位构成一个环形相位,进而利用其调控产生多环形手性结构光场。研究发现,通过控制拓扑荷数、等相位因子、径向偏移因子,能够灵活控制螺旋强度瓣叶的数量以及手性方向。此外,通过引入等相位梯度实现了光场的动态旋转。所构建的可调谐手性结构光场有益于手性结构微加工,在光学微操纵及光学通信领域也有较大的潜在应用价值。

关键词：物理光学光场调控相位调制结构光场手性光场

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基于复杂光场的手性粒子检测技术研究

基于复杂光场的手性粒子检测技术研究

作者：应鑫媛东南大学

学位级别：硕士

作为生物体的本质属性,物质手性的检测与表征在生理学和药理学领域有着极其重要的意义,但常规的检测表征技术如手性光谱学等存在结构信息分辨率低和所需样品量大等缺点。基于相位、偏振、振幅等多种自由度可调的复杂光场由于其丰富的物... 详细信息

作为生物体的本质属性,物质手性的检测与表征在生理学和药理学领域有着极其重要的意义,但常规的检测表征技术如手性光谱学等存在结构信息分辨率低和所需样品量大等缺点。基于相位、偏振、振幅等多种自由度可调的复杂光场由于其丰富的物理性质和效应以及在光学微操控领域极具潜力的应用前景正受到人们的极大关注。作为复杂光场的一种,超手性光场因其有助于增强手性材料的光学活性为手性物质检测的发展注入了新的活力。同时,通过将复杂光场与非接触、无损伤的光镊技术相结合,依赖于光学焦场与手性物质相互作用所产生的光力效应,有望重建材料的手性结构信息,实现手性物质的分选。通过本论文的开展,建立基于定制光子高阶特性的超手性焦场生成技术和光力调控方法,完善操控手性纳米粒子的光镊技术,并发展其在纳米手性材料表征技术中的应用。本文的研究创新在于:第一,提出了具有局域超手性和纵向偏振涡旋结构等特殊焦场的生成方法;第二,发展了上述光学焦场在圆二色信号增强和光镊中的应用,实现了纳米颗粒的手性检测。本论文的主要内容包括:1.自主设计并搭建了单光束光镊系统,实现了微粒的稳定三维捕获。在光镊系统中集成了后焦平面检测与力采集模块,实现了势阱刚度的精确测量。在此基础上,研究了微粒折射率、尺寸及激光功率对捕获稳定性的影响。2.理论研究了超手性光场对手性粒子圆二色性信号的增强机制。首先,基于转移矩阵方法设计并分析了一维光子晶体带隙结构的空间滤波特性,获得了类冲激函数的透射率谱;其次,基于理查德沃尔夫矢量衍射理论推导出具有1阶拓扑荷的径向偏振涡旋光场在紧聚焦条件下的焦场表达式,并将其作为一维光子晶体带隙结构的激发光场,在一维光子晶体带隙结构最后一层界面处实现了超手性局域光场的生成;最后,将手性纳米颗粒引入超手性局域光场,利用有限元方法计算并分析了颗粒尺寸和位置对于圆二色性信号增强因子的影响。3.理论研究了具有纵向偏振涡旋结构的光学焦场对手性粒子的分选机制。首先,通过对线偏振拉盖尔-高斯光束加载特殊的相位调制,在焦场区域生成了多对手性相反、拓扑荷可控的光学焦点;其次,利用米氏散射理论和偶极近似理论计算了手性纳米粒子与纵向偏振涡旋焦场相互作用时所产生的光力与力矩,并通过求解Langevin运动方程模拟出粒子的运动轨迹,证实了该光学焦场可用于手性粒子的分选,并能对粒子的动力学行为进行有效控制。

关键词：复杂光场光镊手性光场光学涡旋手性分选

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光学手性焦场调控及其光力效应研究

光学手性焦场调控及其光力效应研究

作者：李影东南大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：矢量光场光镊光学焦场的逆向设计手性光场手性分选