反常涡旋圆偏振光束对瑞利粒子的捕获特性开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

光是自然界中最普遍的现象之一,它的本质、它的传输方式等特性成了科学家们不断研究的方向,这也就造就了一门古老的学科——光学。在如今信息高速发展的社会,光学成了目前前沿科学的一大热门学科,近代光学的发展多以光与物质的相互作用为主要研究内容,自20世纪60年代激光的产生,强光与物质的相互作用产生了一系列非线性效应,这使得光学领域焕然一新。光镊在此背景下孕育而生,光镊技术将光具有动量属性的一面展现的淋漓尽致,极大地丰富和推进了光学领域的发展,并且为光学与众多姊妹学科搭建了一座桥梁。

光镊技术实现了用光力对微米尺度微粒的控制,这种控制被称之为光学捕获,自1970年光学捕获的首次演示以来,它以一种非侵入性的方式操纵小物体的能力一直备受人们关注。在光学操作中,利用激光束旋转粒子对一些实际微系统来说具有重要意义,涡旋光是一种具有螺旋相位结构的光场,它的光子携带轨道角动量,在光捕获领域中,旋转光束不仅可以提高光镊对微粒的俘获,还可以把轨道角动量传递给微粒,驱动微粒旋转。

关于涡旋光束的研究历史,国外的科研人员很早就开始研究,早在 1833 年,whewell 着力于研究相位奇点,首先对位相奇点产生兴趣并且开始研究相位奇点的人就是 whewell。他在研究潮汐时,发现潮汐峰在潮汐与同潮线接触时消失不见,这一现象可推断出在潮汐中存在着相位奇点。光学涡旋是存在着螺旋相位波前面与相位奇点的特殊光场。19世纪30年代,george biddell airy第一次在透镜焦的平面上发现特殊的反常涡旋光环产生。从这一新发现,促进了人们发现对光学涡旋的探究,人们逐渐开始认识光波角度的光学涡旋。1919年,ignatovskii对这个发现作了仔细分析和探究。他又观察出了新的迹象:反常光学涡旋的光强的传输方向不一定,发生了相反方向的传播,自由空间中,光束的传输转变为朝相反的方向。1952 年,braunbek 和laukien发现,平面波通过半反射屏幕发生反射,这束反射光与原来的平面波发生干涉现象,从而观察到了光学涡旋。1959 年 richards 和 wlof研究了在消球差的透镜系统焦平面上的能流的分布。1967年,boivin,dow,wolf发现焦平面周围存在着光学涡旋现象,涡旋现象存在于一条线上的能流中。

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2. 研究的基本内容与方案

基本内容:分析圆偏振反常涡旋光束的深聚焦特性,数值分析相关参数对深聚焦场光强分布的影响,研究圆偏振反常涡旋光束深聚焦场辐射力特性,并结合瑞利散射模型,研究深聚焦场对瑞利粒子的捕获特性。

目标:实现对圆偏振反常涡旋光束深聚焦特性的理论分析和数值模拟,探究不同参数下对瑞利粒子的捕获特性。

拟采用的技术方案及措施:反常涡旋光束经过透镜深聚焦后可以产生深聚焦场,该电场可以对其中的粒子产生辐射力的作用。圆偏振光可以分解为径向偏振光束和角向偏振光束,因此我们使入射光束为径向偏振光束和角向偏振光束,分别推导出这两种光束经过高数值孔径透镜后深聚焦场的电场表达方式,则圆偏振光束可由这两个表达式推导出来,可以得到左旋和右旋的圆偏振光深聚焦场表达式。然后通过matlab绘制出深聚焦场的光强分布,通过改变拓扑电荷数以及数值孔径这一参量来观察光强的变化,在这部分研究结束后建立瑞利散射模型,与上述结论相结合可以观察深聚焦场对瑞利粒子的辐射力的影响,以此为基础可以看出对不同折射率的粒子的捕获特性。

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,明确研究内容,查阅反常涡旋光的相关知识和涡旋光中圆偏振光的特性以及matlab的使用方法。确定方案,完成开题报告。

第4-8周:明确反常圆偏振涡旋光的深聚焦理论,完成理论建模。

第9-13周:建立透镜深聚焦系统模型,进行仿真模拟,得到模拟结果,整理数据,进行理论分析,开始撰写毕业论文。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] 李银妹,姚焜等. 光镊技术[m]. 北京:科学出版社,2015.

[2] 张明艳. 矢量反常涡旋光束的深聚焦及辐射力研究[d]. 成都:电子科技大学图书馆,2018:31-59.

[3] 李曼曼,严绍辉,姚保利等. 不同偏振态的涡旋光束对粒子的光致旋转研究[c]. 西安:中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子学技术国家重点实验室,2015:84-84

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