理想平顶光束的产生及其应用研究

摘要

平顶光束被发现以来，其独有的特性就引起众多研究者的兴趣，并将其应用到诸多领域。平顶分布光束指的是强度分布均匀的光束。光镊即单光束梯度力势阱，是由在高聚焦光束的束腰附近产生的极大的强度梯度来形成皮牛顿量级的力,可以二维和三维的稳定捕获和操控微粒。近年来已有大量的新型光束被应用到辐射力的研究上。本文旨在研究理想平顶光束的产生及其应用。首先对平顶光束作了简单介绍，并对平顶光束的常用产生方法作了分析介绍，由此提出了一种产生理想平顶光束的新方法，并研究了理想平顶光束经过ABCD光学系统以及湍流大气的传输特性，在此基础上研究理想平顶光束能否稳定的捕获微粒。
　　本研究主要内容包括：⑴研究理想平顶光束的产生方法。基于圆孔夫琅禾费衍射的逆过程，我们首先在源平面定义 lambda光束并研究了此光束的基本特性，然后主要研究了lambda光束传输到远场时光束的基本特性，并且通过控制光束阶数、传输距离等参数，数值模拟了光束的光强分布特性，并对光强分布规律进行了分析。⑵研究了理想平顶光束经过ABCD光学系统以及大气湍流中的传输特性。本文中选用最常见的薄透镜光学系统，使推导结果更具普遍性。在此基础上通过控制出射面距焦平面之间的距离来研究理想平顶光束通过薄透镜光学系统后的传输特性，并对聚焦后的光强分布进行了数值模拟，并分析了规律。针对理想平顶光束在大气湍流中的光束扩展特性，首先推导出理想平顶光束经过大气湍流的传输模型，并数值模拟了其光强分布，根据仿真结果分析了对于不同参数2nC和?，理想平顶光束在大气湍流中的传输时，其光束扩展有何影响。⑶研究了理想平顶光束的应用，即在近轴近似条件下的高度聚焦的理想平顶分布光束对粒子的光镊应用。研究了理想平顶光束作用于瑞利粒子上的散射力、梯度力之间的关系并做了数值仿真，经过分析，发现在焦点附近可以实现高折射率粒子的稳定捕获。其次我们研究了聚焦理想平顶光束对金属纳米粒子的辐射力特性，研究了理想平顶光束对不同尺寸金属微粒的辐射力特性，通过对散射力、吸收力、梯度力的对比，我们发现，当金属微粒半径很小或很大时，理想平顶光束不能作为光镊捕获金属粒子，但是对于合适尺寸的金属微粒，可以被稳定的捕获。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 平顶光束的研究发展概况

1.2 光镊的研究发展概况

1.3研究意义与目标

1.4 论文的主要内容和章节安排

第二章 基础理论和方法

2.1 光束传输特性的研究方法

2.2 平顶光束的基本概念

2.3 光束在大气湍流中传输的研究方法

2.4光镊基础理论

2.5本章小结

第三章 一种新型的产生理想平顶光束的方法

3.1产生理想平顶光束的基础分析

3.2 lambda光束的特性

3.3 产生理想平顶光束的方法

3.4 理想平顶光束通过ABCD光学系统的传输特性

3.5 本章小结

第四章 理想平顶光束在大气湍流中的光束展宽特性

4.1表征大气湍流的参数分析

4.2理想平顶光束在大气湍流中的光束展宽特性

4.3本章小结

第五章 理想平顶光束的辐射力研究

5.1瑞利粒子俘获力分析

5.2 理想平顶光束作用于瑞利粒子的辐射力

5.3 金属粒子的捕获原理分析

5.4 理想平顶光束对金属粒子的辐射力

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1本文主要内容

6.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果