平面天线阵列产生时间反演聚焦场的控制方法及应用研究

摘要

研究基于电磁波的微粒捕获和操控，对人类探寻电磁波与物质相互作用规律，拓展电磁波在粒子物理、胶体物理、生命科学、材料科学、芯片实验室等领域中的应用，具有非常重要的科学研究价值和意义。同时，也会对物理、化学、生物等基础学科之间的相互交叉发展带来重要影响。
　　为探索利用光频段以下的电磁波捕获和操控微粒，本文基于平面天线阵列和TR技术，提出了多种高强度聚焦场产生方法，包括单点、多点以及中空环形等，研究了不同聚焦场对瑞利微粒的力学特性，数值证实了光频段以下的高强度聚焦场对瑞利微粒具备一定的捕获与操控能力。全文主要研究内容如下：
　　首先，提出一种单点高强度时间反演聚焦场的产生方法和系统装置，研究了平面时间反演镜（Planar Time Reversal Mirror，P-TRM）的布置方式和聚焦位置对单点高强度聚焦场的影响，并基于该聚焦场，提出了一种单微粒捕获和操控的电磁镊。研究发现，采用双层P-TRM更有利于产生高强度聚焦场，特别是以极化方向相同的方式布置的双层P-TRM能够产生更高电磁强度的单点聚焦场，并且产生的单点高强度聚焦场不会因聚焦位置的改变而变化。同时，进一步研究了单点高强度聚焦场的力学特性及其影响因素，发现对于瑞利微粒，微粒半径越大，在单点高强度聚焦场中所受到的梯度力越大；对于高折射率瑞利微粒，微粒与环境媒质的相对折射率越大，在单点高强度聚焦场中所受到的梯度力越大，但是，对于低折射率瑞利微粒，单点高强度聚焦场则无法捕获；如果提高P-TRM的输入功率，可增强单点高强度聚焦场对瑞利微粒的梯度力。通过数值仿真，理论证明了单点高强度聚焦场对高折射率瑞利微粒的捕获和操控能力。
　　其次，在单点高强度聚焦场研究的基础上，基于反相电场相消原理，提出了一种新型的高强度聚焦场产生方法。该方法能够产生小间距多点高强度聚焦场，可同时操控和捕获多个微粒，大幅度地提升了高强度聚焦场对多个微粒的操纵和捕获能力。通过全波数值仿真，研究了有三个聚焦点的高强度聚焦场的产生，分析了聚焦场对三个a=1mm聚苯乙烯微粒的作用力大小，理论证明了多点高强度聚焦场具备同时捕获与操控多个高折射率瑞利微粒的能力。
　　最后，基于两组正交的双高强度聚焦场叠加，提出了一种产生中空环形高强度聚焦场的方法。并且，研究了预期聚焦位置点间距对中空环形高强度聚焦场的影响，分析了中空环形高强度聚焦场对低折射率瑞利微粒的力学作用效果。研究发现，电磁波频率为4.3GHz时，产生中空环形高强度聚焦场的预期聚焦位置点间距D的取值范围为：43.75mm?D?87.5mm，在此空间距离范围内，中空环形高强度聚焦场产生的梯度力，可实现对低折射率瑞利微粒的捕获与操控。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景意义

1.2 国内外研究现状与进展

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本文的结构安排

第二章 聚焦场的产生方法及其动力学理论

2.1 时间反演技术产生聚焦场的理论基础

2.2 聚焦场与微粒之间相互作用的动力学理论

2.3 本章小结

第三章 单点与多点高强度聚焦场的产生方法及其力学特性

3.1 单点高强度聚焦场的产生方法及其力学特性

3.2 多点高强度聚焦场的产生方法及其力学特性

3.3 本章小结

第四章 中空环形高强度聚焦场的产生方法及其力学特性

4.1 中空环形高强度聚焦场的产生方法

4.2 中空环形高强度聚焦场的力学特性

4.3 本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果