光束的聚焦整形技術(shù)與光學(xué)捕獲特性的理論研究.pdf

1、隨著激光技術(shù)的廣泛應(yīng)用，光束的緊聚焦特性、聚焦整形技術(shù)以及聚焦光場對微納粒子捕獲特性的理論與實(shí)驗(yàn)研究逐漸成為了光學(xué)領(lǐng)域中的“熱門”課題。如何充分挖掘激光技術(shù)潛能，有效利用其新效應(yīng)，對于光場空間結(jié)構(gòu)的有效設(shè)計與調(diào)控就顯得格外的重要。通過對光場偏振態(tài)、位相和振幅的空間結(jié)構(gòu)設(shè)計，人們可以輕松地實(shí)現(xiàn)對三維聚焦光場的有效調(diào)控，獲得形如“光針”、“光鏈”、“光學(xué)籠子”、“平頂型光場”等許多新穎的聚焦光場。這些具有特殊空間結(jié)構(gòu)和奇特性質(zhì)的新型聚焦光場

2、對諸如信息技術(shù)、生物醫(yī)療、精密測量、材料加工、航空航天乃至國防安全等領(lǐng)域都具有十分重要的應(yīng)用價值。此外，由聚焦整形技術(shù)所賦予的焦場可操控性好和針對性強(qiáng)等特性，使得激光技術(shù)在微納粒子捕獲與操縱方面也具有明顯的優(yōu)勢。例如，通過偏振調(diào)控所產(chǎn)生的暗中空“光學(xué)籠子”能有效地捕獲折射率小或吸光性強(qiáng)的粒子。因此，對光場緊聚焦特性以及聚焦整形技術(shù)的研究意義重大！
　　現(xiàn)如今，雖然人們對光場聚焦整形技術(shù)的研究已取得了一定的成果，但由于該研究起步較晚

3、并且相關(guān)技術(shù)仍不成熟，因此還存在很多科學(xué)上和技術(shù)上的難題尚未解決。鑒于此，本論文以光束的聚焦整形技術(shù)以及聚焦光場對微納粒子的捕獲特性為研究目的，對不同光束的緊聚焦特性、聚焦整形技術(shù)以及其光學(xué)捕獲特性展開了詳細(xì)的理論研究，主要研究內(nèi)容分別如下:
　　(1)針對徑向偏振中空正弦高斯光束的緊聚焦特性以及光學(xué)捕獲特性展開了理論研究?；诶聿榈挛譅柗蚴噶垦苌淅碚摵腿鹄⑸淠Ｐ?，理論研究了徑向偏振中空正弦高斯(HSG)光束在不同光階數(shù)下的三維

4、聚焦光場分布;詳細(xì)分析了金屬瑞利粒子在焦點(diǎn)附近不同位置處所受光場輻射力的空間大小分布;通過改變捕獲條件的相關(guān)參數(shù)（光階數(shù)、粒子離光軸距離、粒子離焦面距離），詳細(xì)討論各個參數(shù)變化對光阱剛度大小的影響;研究結(jié)果表明高階的徑向偏振HSG光束可以大幅度地提高金屬瑞利粒子在橫向上的捕獲穩(wěn)定性，并拓寬其在軸向上的捕獲范圍。最后，本文還詳細(xì)分析了HSG光束對金屬瑞利粒子捕獲的穩(wěn)定性。
　　(2)針對部分相干圓偏振渦旋光束的緊聚焦特性以及聚焦整形

5、技術(shù)展開了理論研究?；诶聿榈挛譅柗蚴噶垦苌淅碚摵凸鈱W(xué)相干原理，創(chuàng)造性地提出了采用部分相干圓偏振渦旋光束與二元衍射元件(DOE)相結(jié)合的三維光場聚焦整形技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)通過恰當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)入射光、透鏡以及DOE的相關(guān)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對聚焦光場在三維空間上的有效整形。模擬結(jié)果表明部分相干圓偏振渦旋光束可以產(chǎn)生很多具有奇特空間結(jié)構(gòu)的三維焦場，例如“光針”、“光鏈”、“光學(xué)暗通道”、以及“光學(xué)籠子”等。此外，相比于普通的“光學(xué)籠子”，通過采用本方法所產(chǎn)

6、生的“光學(xué)籠子”具有一個可控的“開關(guān)”。即通過改變?nèi)肷涔獾南喔砷L度，該“光學(xué)籠子”的開關(guān)可以很容易地被“打開”或“關(guān)閉”。這一研究發(fā)現(xiàn)或許將為進(jìn)一步增強(qiáng)光鑷的捕獲與操縱能力提供一個新的思路。
　　(3)針對4π緊聚焦系統(tǒng)中的徑向偏振光的緊聚焦特性以及光學(xué)捕獲特性展開了理論研究?；诶聿榈挛譅柗蚴噶垦苌淅碚摵腿鹄⑸淠Ｐ停瑑墒鄬鬏?shù)膹较蚱窆庠?π緊聚焦系統(tǒng)下對金屬瑞利粒子的輻射力進(jìn)行了詳細(xì)分析。研究發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)的單透鏡光鑷系