光輻射力的計(jì)算及其在微粒操控中的應(yīng)用.pdf

1、伴隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，以激光為基礎(chǔ)的光鑷技術(shù)受到了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。光鑷已經(jīng)逐步發(fā)展為納米技術(shù)、生命科學(xué)技術(shù)等微粒操控領(lǐng)域的重要研究手段。大量的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，對(duì)于一個(gè)聚焦的光束，存在兩個(gè)基本的輻射壓力：一個(gè)是沿光束傳播方向上的散射力；一個(gè)是沿光強(qiáng)梯度方向的梯度力。為此，使用一個(gè)中等強(qiáng)度的聚焦光束，就可以對(duì)尺寸從幾個(gè)納米到幾個(gè)微米的中性粒子實(shí)現(xiàn)加速、減速甚至是捕獲。光鑷技術(shù)是一種亞接觸、無污染、無損傷的微粒操控技術(shù)，這對(duì)于

2、活體生物粒子也是適用的。然而，激光與微粒之間的相互作用又是復(fù)雜的。迄今為止，用于計(jì)算光輻射力的理論模型根據(jù)所計(jì)算粒子的尺寸來分，主要有電偶極子模型、幾何模型和廣義洛倫茲-米理論模型。電偶極子模型適用于尺寸遠(yuǎn)小于激光波長(zhǎng)的瑞利粒子，幾何模型適用于尺寸遠(yuǎn)大于激光波長(zhǎng)的粒子，廣義洛倫茲.米理論對(duì)于這兩種尺寸的粒子都適用，同時(shí)也適用于尺寸和激光波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)牧Ｗ?。伴隨著技術(shù)的迅猛發(fā)展，無論是實(shí)驗(yàn)還是理論方面對(duì)結(jié)果的精度都要求很高。對(duì)于理論方面來說，

3、就要求能夠提供更加接近實(shí)驗(yàn)真實(shí)情況的指導(dǎo)。矢量衍射理論是一種嚴(yán)格的光束聚焦理論，它克服了幾何模型存在的不足之處，因此采用矢量衍射理論表征電磁場(chǎng)更接近真實(shí)情況。
　　 本文從聚焦電磁場(chǎng)的矢量衍射理論出發(fā)，詳細(xì)討論了光鑷系統(tǒng)中經(jīng)高數(shù)值孔徑物鏡聚焦之后光場(chǎng)的分布情況，之后采用電偶極子理論模型對(duì)尺寸遠(yuǎn)小于激光波長(zhǎng)的瑞利粒子在高階徑向偏振光束中的受力情況進(jìn)行了詳細(xì)的討論。數(shù)值模擬的結(jié)果表明，透鏡的數(shù)值孔徑以及光闌的攔截比對(duì)粒子的受力具有重

4、要的影響，通過對(duì)透鏡數(shù)值孔徑的調(diào)節(jié)可以在焦點(diǎn)附近的兩個(gè)位置處穩(wěn)定的捕獲高折射率粒子，通過對(duì)攔截系數(shù)的調(diào)節(jié)可以獲得“光學(xué)囚籠(Optical Cage)”狀的光場(chǎng)分布，并模擬了低折射率粒子在其中的受力情況。當(dāng)兩束完全相同的徑向偏振光束相向傳輸?shù)臅r(shí)候，會(huì)形成駐波，此時(shí)形成的駐波場(chǎng)可以用來同時(shí)對(duì)多個(gè)粒子進(jìn)行操控，當(dāng)數(shù)值孔徑角選取合適值的時(shí)候，甚至可以同時(shí)捕獲高低兩種折射率的粒子，達(dá)到對(duì)粒子分類的目的。
　　 高斯光束是光鑷實(shí)驗(yàn)中廣泛采