光辐射力的计算及其在微粒操控中的应用

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伴随着科学技术日新月异的发展,以激光为基础的光镊技术受到了国内外研究学者的广泛关注。光镊已经逐步发展为纳米技术、生命科学技术等微粒操控领域的重要研究手段。大量的实验已经证实,对于一个聚焦的光束,存在两个基本的辐射压力:一个是沿光束传播方向上的散射力;一个是沿光强梯度方向的梯度力。为此,使用一个中等强度的聚焦光束,就可以对尺寸从几个纳米到几个微米的中性粒子实现加速、减速甚至是捕获。光镊技术是一种亚接触、无污染、无损伤的微粒操控技术,这对于活体生物粒子也是适用的。然而,激光与微粒之间的相互作用又是复杂的。迄今为止,用于计算光辐射力的理论模型根据所计算粒子的尺寸来分,主要有电偶极子模型、几何模型和广义洛伦兹-米理论模型。电偶极子模型适用于尺寸远小于激光波长的瑞利粒子,几何模型适用于尺寸远大于激光波长的粒子,广义洛伦兹.米理论对于这两种尺寸的粒子都适用,同时也适用于尺寸和激光波长相当的粒子。伴随着技术的迅猛发展,无论是实验还是理论方面对结果的精度都要求很高。对于理论方面来说,就要求能够提供更加接近实验真实情况的指导。矢量衍射理论是一种严格的光束聚焦理论,它克服了几何模型存在的不足之处,因此采用矢量衍射理论表征电磁场更接近真实情况。   本文从聚焦电磁场的矢量衍射理论出发,详细讨论了光镊系统中经高数值孔径物镜聚焦之后光场的分布情况,之后采用电偶极子理论模型对尺寸远小于激光波长的瑞利粒子在高阶径向偏振光束中的受力情况进行了详细的讨论。数值模拟的结果表明,透镜的数值孔径以及光阑的拦截比对粒子的受力具有重要的影响,通过对透镜数值孔径的调节可以在焦点附近的两个位置处稳定的捕获高折射率粒子,通过对拦截系数的调节可以获得“光学囚笼(Optical Cage)”状的光场分布,并模拟了低折射率粒子在其中的受力情况。当两束完全相同的径向偏振光束相向传输的时候,会形成驻波,此时形成的驻波场可以用来同时对多个粒子进行操控,当数值孔径角选取合适值的时候,甚至可以同时捕获高低两种折射率的粒子,达到对粒子分类的目的。   高斯光束是光镊实验中广泛采用的光束,讨论了采用油浸物镜聚焦的高斯光束对尺寸远大于激光波长的米氏粒子的光辐射力情况。模拟的过程考虑到了聚焦引入的球差,这种处理方法更加接近实验的真实情况,反过来对实验具有重要的指导意义。
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