矢量贝塞尔波束对瑞利粒子的光学操控研究

摘要

基于光的力学效应，光镊可以对微小粒子实现非接触、无损伤的捕获和操控。近年来，该技术已得到了快速发展，并广泛应用于生物学、化学、医学、物理学和微流控光学等各个领域，同时各领域对其也提出了新的要求和挑战。贝塞尔波束可以弥补高斯波束在光学操控中的不足，并实现一些全新的功能。综合考虑贝塞尔波束的无衍射性、自重建性及其极化特性，本文研究了矢量贝塞尔波束对瑞利粒子的力学效应，主要研究工作如下：
　　1.基于角谱展开理论，推导了轴棱锥产生的矢量贝塞尔波束电磁场的数学描述，并在此基础上推导了对应的光强和坡印亭矢量。光强和坡印亭矢量的数值研究发现：贝塞尔波束的极化状态影响波束光强取最大值的位置和对应入射波束的能量流动范围。
　　2.利用瑞利模型研究了波束作用在瑞利粒子上的光学力，推导了矢量贝塞尔波束对瑞利粒子的径向、角向和轴向的光学力。在公式推导的过程中，我们分别讨论了线极化、圆极化、径向极化、角向极化和非极化贝塞尔波束对聚苯乙烯球形粒子的光学力各个分量的特点，研究了贝塞尔函数的阶数l、波束的极化状态和傍轴度（或半锥角）对光学力的影响，并分析了能稳定捕获粒子的个数。计算结果表明：贝塞尔波束的极化状态影响各个方向上稳定捕获粒子的位置。
　　3.研究了矢量贝塞尔波束对瑞利粒子的力矩，包含粒子的外禀力矩和内禀力矩。同样研究了贝塞尔函数的阶数l、极化状态和傍轴度（或半锥角）等因素对粒子的合力矩、轨道力矩和内禀力矩的影响。数值分析可知：波束的极化状态影响力矩的大小和正负。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 贝塞尔波束的研究现状

1.3 光镊的研究现状

1.4 本文的主要内容

1.5 本章小结

第二章 粒子捕获的理论研究

2.1 几何光学模型

2.2 瑞利模型

2.3 电磁散射模型

2.4 本章小结

第三章 矢量贝塞尔波束的电磁场

3.1 波束电磁场的基本理论

3.2 矢量贝塞尔波束的数学表述

3.3 数值分析

3.4 本章小结

第四章 矢量贝塞尔波束对瑞利粒子的光学力

4.1 光学力的基本理论

4.2 矢量贝塞尔波束对瑞利粒子的光学力

4.3 光学力的数值仿真

4.4 本章小结

第五章 矢量贝塞尔波束对瑞利粒子的力矩

5.1 力矩的基本理论

5.2 矢量贝塞尔波束对瑞利粒子的外禀力矩

5.3 矢量贝塞尔波束对瑞利粒子的内禀力矩

5.4 数值分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

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