特殊光束的传输性质及其在光镊中的应用的研究

摘要

光镊是生物和物理领域研究细胞、大分子物质、金属纳米颗粒等微小粒子的重要工具。普通的光镊一般应用基模高斯光束作为入射光束，但是后来人们发现，也能将一些特殊光束应用于光镊技术中。应用特殊光束或者能够实现特殊的光操控微粒的手段，或者能够改进光镊的性能。本论文的研究目的就是分析某些特殊光束在光镊中的应用，并且构造出一些可能在光镊中有重要应用的新型特殊光束。 论文首先对洛伦兹高斯光束、圆形Airy光束这两种已知的特殊光束在光镊中的应用进行理论分析。然后构建一些有可能应用于光镊技术中的新型的特殊光束，最后搭建了全息光镊的实验平台，并实现了多光束光镊。本论文对特殊光束的传输性质及其在光镊中的应用的研究，将有助于特殊光束在光镊中的进一步的应用，从而提高光镊的性能，以及扩大光镊在生物及物理领域中的应用范围。论文的具体布局如下: 第一章介绍了光镊的发展历史、研究现状、基本原理以及本论文的研究内容。本章重点介绍了涡旋光束、贝塞尔光束、Airy光束以及多光束阵列等几种已知的特殊光束在光镊中的应用的相关研究。 第二章介绍了高度聚焦的洛伦兹高斯光束对微粒的辐射力分析。本章通过对高度聚焦的洛伦兹高斯光束对瑞利微粒的辐射力计算以及俘获的稳定性的分析表明，应用洛伦兹高斯光束能够稳定地俘获微粒，而且还能够扩大光镊的俘获范围。 第三章介绍了具备突然自动聚焦性的圆形Airy光束对微粒的辐射力分析。通过对瑞利微粒的光辐射力分布的计算和分析表明，圆形Airy光束能在纵向的不同位置俘获微粒，并且能同时俘获不同折射率的微粒。因为突然自动聚焦效应，与同等条件下的高斯光束相比，圆形Airy光束对微粒的俘获会更加稳定。 第四章介绍了一种光学Airy变换装置。通过数值模拟计算表明，应用光学Airy变换装置可以产生和调节Airy光束，而利用平顶高斯光束产生Airy变换则可以产生新的曲线轨迹的光束。 第五章介绍了加载光学涡旋的圆形Airy光束。通过加载单个光学涡旋，可以增强圆形Airy光束聚焦程度，而当加载异号的双光学涡旋时，因为异号的光学涡旋会在中心融合，这使得突然聚焦程度进一步增加。 第六章介绍了实验搭建的全息光镊装置。实验首先基于计算全息片方法实现了多光束光镊，而后提出了一种新的方法，即相位菲涅耳透镜阵列方法，改进了多光束光镊的性能，提高了俘获效率。

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 光镊的研究进展

1．2 瑞利范围内的光的辐射力理论

1．3 光束的传输理论

1．4 特殊光束在光镊中的应用

1．5 论文的研究内容与创新点

2 高度聚焦的洛伦兹高斯光束对瑞利微粒的辐射力分析

2．1 洛伦兹高斯光束的传输性质

2．2 洛伦兹高斯光束对瑞利微粒的辐射力分析

2．3 俘获稳定性分析

2．4 本章小结

3 圆形Airy光束对瑞利微粒的辐射力分析

3．1 圆形Airy光束的非傍轴与傍轴传输

3．2 圆形Airy光束对瑞利微粒的辐射力

3．3 俘获稳定性分析

3．4 本章小结

4 光学Airy变换

4．1 光学Airy变换的原理

4．2 高斯光束的Airy变换

4．3 Airy光束的Airy变换

4．4 平顶高斯光束的Airy变换

4．5 本章小结

5 加载光学涡旋的圆形Airy光束

5．1 圆形Airy光束的传输性质

5．2 单个光学涡旋在圆形Airy光束中的传输

5．3 两个光学涡旋在圆形Airy光束中的传输

5．4 本章小结

6 多光束光镊实验

6．1 全息光镊装置

6．2 计算全息片的算法

6．3 基于全息光镊装置的多光束光镊实验

6．4 基于相位菲涅耳透镜阵列的多光束光镊

6．5 本章小结

7 总结与展望

参考文献

作者简历