平面天線陣列產(chǎn)生時間反演聚焦場的控制方法及應(yīng)用研究.pdf

1、研究基于電磁波的微粒捕獲和操控，對人類探尋電磁波與物質(zhì)相互作用規(guī)律，拓展電磁波在粒子物理、膠體物理、生命科學(xué)、材料科學(xué)、芯片實(shí)驗(yàn)室等領(lǐng)域中的應(yīng)用，具有非常重要的科學(xué)研究價值和意義。同時，也會對物理、化學(xué)、生物等基礎(chǔ)學(xué)科之間的相互交叉發(fā)展帶來重要影響。
　　為探索利用光頻段以下的電磁波捕獲和操控微粒，本文基于平面天線陣列和TR技術(shù)，提出了多種高強(qiáng)度聚焦場產(chǎn)生方法，包括單點(diǎn)、多點(diǎn)以及中空環(huán)形等，研究了不同聚焦場對瑞利微粒的力學(xué)特性，數(shù)

2、值證實(shí)了光頻段以下的高強(qiáng)度聚焦場對瑞利微粒具備一定的捕獲與操控能力。全文主要研究內(nèi)容如下：
　　首先，提出一種單點(diǎn)高強(qiáng)度時間反演聚焦場的產(chǎn)生方法和系統(tǒng)裝置，研究了平面時間反演鏡（Planar Time Reversal Mirror，P-TRM）的布置方式和聚焦位置對單點(diǎn)高強(qiáng)度聚焦場的影響，并基于該聚焦場，提出了一種單微粒捕獲和操控的電磁鑷。研究發(fā)現(xiàn)，采用雙層P-TRM更有利于產(chǎn)生高強(qiáng)度聚焦場，特別是以極化方向相同的方式布置的雙層

3、P-TRM能夠產(chǎn)生更高電磁強(qiáng)度的單點(diǎn)聚焦場，并且產(chǎn)生的單點(diǎn)高強(qiáng)度聚焦場不會因聚焦位置的改變而變化。同時，進(jìn)一步研究了單點(diǎn)高強(qiáng)度聚焦場的力學(xué)特性及其影響因素，發(fā)現(xiàn)對于瑞利微粒，微粒半徑越大，在單點(diǎn)高強(qiáng)度聚焦場中所受到的梯度力越大；對于高折射率瑞利微粒，微粒與環(huán)境媒質(zhì)的相對折射率越大，在單點(diǎn)高強(qiáng)度聚焦場中所受到的梯度力越大，但是，對于低折射率瑞利微粒，單點(diǎn)高強(qiáng)度聚焦場則無法捕獲；如果提高P-TRM的輸入功率，可增強(qiáng)單點(diǎn)高強(qiáng)度聚焦場對瑞利微粒

4、的梯度力。通過數(shù)值仿真，理論證明了單點(diǎn)高強(qiáng)度聚焦場對高折射率瑞利微粒的捕獲和操控能力。
　　其次，在單點(diǎn)高強(qiáng)度聚焦場研究的基礎(chǔ)上，基于反相電場相消原理，提出了一種新型的高強(qiáng)度聚焦場產(chǎn)生方法。該方法能夠產(chǎn)生小間距多點(diǎn)高強(qiáng)度聚焦場，可同時操控和捕獲多個微粒，大幅度地提升了高強(qiáng)度聚焦場對多個微粒的操縱和捕獲能力。通過全波數(shù)值仿真，研究了有三個聚焦點(diǎn)的高強(qiáng)度聚焦場的產(chǎn)生，分析了聚焦場對三個a=1mm聚苯乙烯微粒的作用力大小，理論證明了多點(diǎn)

5、高強(qiáng)度聚焦場具備同時捕獲與操控多個高折射率瑞利微粒的能力。
　　最后，基于兩組正交的雙高強(qiáng)度聚焦場疊加，提出了一種產(chǎn)生中空環(huán)形高強(qiáng)度聚焦場的方法。并且，研究了預(yù)期聚焦位置點(diǎn)間距對中空環(huán)形高強(qiáng)度聚焦場的影響，分析了中空環(huán)形高強(qiáng)度聚焦場對低折射率瑞利微粒的力學(xué)作用效果。研究發(fā)現(xiàn)，電磁波頻率為4.3GHz時，產(chǎn)生中空環(huán)形高強(qiáng)度聚焦場的預(yù)期聚焦位置點(diǎn)間距D的取值范圍為：43.75mm?D?87.5mm，在此空間距離范圍內(nèi)，中空環(huán)形高強(qiáng)度聚