柱对称矢量光束光镊的光捕获力计算研究

摘要

在生物医学和物理科学等领域中，光镊技术作为一种强有力的工具，用于实现微小颗粒和生物分子的捕获与绑定。尤其是对于颗粒的非接触、无损伤的捕获特性，使得光镊技术得到了越来越广泛的应用，同时也极大地吸引了人们的研究兴趣。柱对称矢量光束以其独特的偏振状态和光场特性，在基于单光束的光镊捕获领域中备受关注。研究这类光束的光捕获计算和相关参量的评价，有助于我们更好地理解和应用光镊技术，以提高现有光镊的性能。本文在前人研究成果的基础上，对径向偏振光束和角向偏振光束的理论合成方法、光场分布以及光捕获效率做了讨论和分析，并分析了相关参数对捕获效率的影响。本文主要工作和结论如下：　　(1)采用几何光学模型的数值模拟计算了不同偏振模式光束的捕获效率，同时与采用MATLAB光镊工具包的电磁散射模型的计算结果进行对比，验证了改进的光镊工具包对计算柱对称矢量光束光捕获的可行性，分析了两种模型计算光捕获的优劣。结论表明改进的光镊工具包能够计算柱对称矢量光束的光捕获，与几何光学模型的数值比较发现，基于光镊工具包的电磁散射模型得出的结果与实际分析更加吻合。　　(2)在改进的光镊工具包的基础上，实现了两束线偏振 TEM01模光束叠加合成柱对称矢量光束的光捕获计算，也实现了两束圆偏振LG01光束叠加合成柱对称矢量光束的光捕获计算。对两种方法的结果进行比较，发现它们合成的柱矢量光束对计算捕获效率的数值结果相一致。　　(3)讨论了柱对称矢量光束特殊的光捕获性质。得出径向偏振光束更适合折射率相对较大的颗粒的光捕获，其轴向捕获比其他光束更稳定。角向偏振光束则较适合折射率相对较小的颗粒的光捕获，其横向上具有多个平衡捕获位置，能实现多个小尺寸颗粒的同时捕获；对于折射率低于周围介质环境的小尺寸颗粒的光捕获，角向光束因其特殊的光场特性能够实现这类颗粒的横向捕获。

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第一章 引言

1.1 光捕获研究背景概述

1.2 光镊的研究历史及现状

1.3 本文的主要内容和研究意义

第二章 光镊的捕获原理和理论计算模型

2.1 单光束光镊的捕获机制

2.2 几何光学模型

2.3 瑞利散射模型

2.4 电磁散射模型

2.5 本章小结

第三章 不同理论模型计算光捕获力的分析

3.1 几何光学模型的数值模拟

3.2 几何光学模型和电磁散射模型的比较

3.3 本章小结

第四章 柱对称矢量光束的合成及其光捕获计算

4.1 柱对称矢量光束介绍

4.2 柱对称矢量光束的理论合成及光场性质分析

4.3 柱对称矢量光束的光捕获计算

4.4 相关参数和不同偏振模式的光束对捕获效率的影响分析

4.5 柱对称矢量光束对小尺寸颗粒的光捕获分析

4.6 本章小结

第五章 研究结论与展望

5.1 主要研究结论

5.2 未来工作展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢