光輻射力的計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。大量的實驗已經(jīng)證實，對于一個聚焦的光束，存在兩個基本的輻射壓力：一個是沿光束傳播方向上的散射力；一個是沿光強梯度方向的梯度力。為此，使用一個中等強度的聚焦光束，就可以對尺寸從幾個納米到幾個微米的中性粒子實現(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，用于計算光輻射力的理論模型根據(jù)所計算粒子的尺寸來分，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小于激光波長的瑞利粒子，幾何模型適用于尺寸遠大于激光波長的粒子，廣義洛倫茲.米理論對于這兩種尺寸的粒子都適用，同時也適用于尺寸和激光波長相當?shù)牧Ｗ?。伴隨著技術(shù)的迅猛發(fā)展，無論是實驗還是理論方面對結(jié)果的精度都要求很高。對于理論方面來說，

3、就要求能夠提供更加接近實驗真實情況的指導(dǎo)。矢量衍射理論是一種嚴格的光束聚焦理論，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更接近真實情況。
　　 本文從聚焦電磁場的矢量衍射理論出發(fā)，詳細討論了光鑷系統(tǒng)中經(jīng)高數(shù)值孔徑物鏡聚焦之后光場的分布情況，之后采用電偶極子理論模型對尺寸遠小于激光波長的瑞利粒子在高階徑向偏振光束中的受力情況進行了詳細的討論。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粒子的受力具有重

4、要的影響，通過對透鏡數(shù)值孔徑的調(diào)節(jié)可以在焦點附近的兩個位置處穩(wěn)定的捕獲高折射率粒子，通過對攔截系數(shù)的調(diào)節(jié)可以獲得“光學(xué)囚籠(Optical Cage)”狀的光場分布，并模擬了低折射率粒子在其中的受力情況。當兩束完全相同的徑向偏振光束相向傳輸?shù)臅r候，會形成駐波，此時形成的駐波場可以用來同時對多個粒子進行操控，當數(shù)值孔徑角選取合適值的時候，甚至可以同時捕獲高低兩種折射率的粒子，達到對粒子分類的目的。
　　 高斯光束是光鑷實驗中廣泛采