光學(xué)微操控的若干理論研究.pdf

1、光學(xué)微操控主要研究光力與光力矩對(duì)尺寸在幾十納米到幾十微米量級(jí)的微粒的操控，目前也開(kāi)始涉及光力對(duì)微納光子結(jié)構(gòu)光學(xué)性質(zhì)的影響。光學(xué)微操控基于激光光場(chǎng)誘發(fā)的光力和光力矩，其實(shí)現(xiàn)得益于激光技術(shù)的發(fā)展。光學(xué)微操控最廣泛的應(yīng)用是光鑷，它源自四十多年前美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室Ashkin等人開(kāi)創(chuàng)性的工作。最簡(jiǎn)單的光鑷是通過(guò)聚焦高斯光束，利用光梯度力的作用，對(duì)微粒進(jìn)行穩(wěn)定的俘獲和移動(dòng)，把微粒陷在光束焦點(diǎn)附近。目前，光學(xué)微操控的實(shí)驗(yàn)技術(shù)逐漸成熟，人們開(kāi)始利用具有廣

2、場(chǎng)分辨的結(jié)構(gòu)光束或多光束來(lái)完成單粒子或多微粒的操控、多微粒的光束縛、微粒傳輸?shù)取９鈱W(xué)微操控已廣泛應(yīng)用于從膠體科學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)到醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科中，對(duì)微粒乃至活細(xì)胞進(jìn)行操控?？梢哉f(shuō)，只要涉及微粒的領(lǐng)域，光操控就有用武之地。光學(xué)微操控已成為實(shí)驗(yàn)科學(xué)的一個(gè)迅速發(fā)展的分支，但是對(duì)其的理論研究卻很落后。主要原因是：理論上難以精確描述光操控中使用的各種聚焦激光束；對(duì)實(shí)驗(yàn)光路的精確理論描述較為復(fù)雜。
　　 新一代的光學(xué)微操控傾向于使用各種結(jié)

3、構(gòu)光束來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)大量微粒的操控。目前的共識(shí)是結(jié)構(gòu)光束將成為光學(xué)微操控中一個(gè)極為重要的方面。本文的工作就在于對(duì)光學(xué)微操控及相關(guān)問(wèn)題的理論研究，而結(jié)構(gòu)光束和光路的嚴(yán)格描述則是研究重點(diǎn)。本文使用矢量德拜積分來(lái)計(jì)算強(qiáng)聚焦入射光束，用Mie理論計(jì)算散射場(chǎng)，用麥克斯韋應(yīng)力張量來(lái)計(jì)算光學(xué)力。本文結(jié)構(gòu)如下：
　　 第一章是背景介紹，它包括三部分：光學(xué)微操控發(fā)展概述，光學(xué)微操控的分類，分別介紹了光俘獲、光束縛、光吸引，最后是本文結(jié)構(gòu)。
　　

4、 第二章簡(jiǎn)要介紹了本文用到的研究方法，包括三維多重散射理論，作用在球體上的光學(xué)力和力矩，幾種結(jié)構(gòu)光束的描述。
　　 在第三章，我們研究了高聚焦高斯光束對(duì)Rayleigh粒子的俘獲情況。在研究中，我們采用了混合偶極模型來(lái)嚴(yán)格描述焦距附近的高斯光束，以區(qū)別于以往對(duì)高斯光束的傍軸近似，并且使用Mie理論以及對(duì)時(shí)間平均的麥克斯韋應(yīng)力張量的積分來(lái)計(jì)算力，從而保證了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。進(jìn)而我們給出了粒子受力、平衡位置、以及俘獲勁度系數(shù)的解析

5、表達(dá)式，為實(shí)驗(yàn)提供了可靠方便的理論依據(jù)。
　　 如何增大同時(shí)穩(wěn)定束縛到的微粒數(shù)目是光學(xué)束縛中一個(gè)重要的課題，因?yàn)橐粋€(gè)有用的材料是由大量微粒組成。在第四章，本人基于對(duì)矢量貝塞爾光束的嚴(yán)格理論描述以及多重散射理論，研究了粒子表面不同鍍層對(duì)粒子間相互作用的影響。通過(guò)在一對(duì)全同粒子表面覆蓋不同材料的鍍層，我們發(fā)現(xiàn)覆蓋銀或者具有低介電常數(shù)的電解質(zhì)材料的鍍層可以增加短程多穩(wěn)態(tài)(兩粒子之間保持穩(wěn)定平衡的組態(tài)數(shù))，而抗反射鍍層卻減少了多穩(wěn)態(tài)，這

6、與不同鍍層在光學(xué)俘獲中所起的作用不同。研究進(jìn)一步表明，對(duì)于具有小中心角的貝塞爾光束，鍍層對(duì)增加穩(wěn)定束縛住的粒子數(shù)目的作用很小。但是隨著貝塞爾光束中心角的增大，例如在極限的平面波情況，用銀或者用低介電常數(shù)材料做成的鍍層可以極明顯的增加穩(wěn)定束縛住的粒子數(shù)目。
　　 在第五章，我們提出了光學(xué)吸引力的概念。當(dāng)帶有正動(dòng)量的入射光照射在微粒上，人們一般會(huì)認(rèn)為散射力將推動(dòng)微粒沿著光傳播的方向運(yùn)動(dòng)。是否可以想象，微粒在非衍射光中會(huì)逆著光傳播方向

7、運(yùn)動(dòng)，而入射光在傳播方向上是不存在強(qiáng)度梯度的。這與人們的直覺(jué)相違背。我們?cè)谘芯恐袇s證實(shí)了這種可能的存在。與光學(xué)俘獲中的梯度力不同，這里所說(shuō)的光學(xué)吸引力，完全是由散射力引起。實(shí)現(xiàn)光學(xué)吸引力的條件是：同時(shí)激發(fā)Mie粒子的多極矩來(lái)實(shí)現(xiàn)多極干涉；調(diào)節(jié)光束參數(shù)使正向光子動(dòng)量減少。這個(gè)工作為光學(xué)微操控增加了一個(gè)新的自由度。
　　 在第六章，根據(jù)角動(dòng)量守恒，我們證實(shí)了帶有正角動(dòng)量的光束可以對(duì)無(wú)吸收的非球體產(chǎn)生負(fù)的光學(xué)力矩。負(fù)力矩的出現(xiàn)是由于光