聚焦光束对瑞利微粒辐射力的研究

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光镊是基于激光技术与光压理论用光阱来捕获和操控微粒的一门技术。该技术广泛应用于各学科各领域,相较于其他技术,光镊技术因其不可替代的优势成为科学家们手中有效操控单个生物大分子的主要手段之一。随着科技的不断创新,传统的单高斯光束光镊系统已经不能满足人们的需求,新型光场光镊引起了众多学者们的研究,这些光场光镊具有相较于单高斯光束光镊不具备的卓越性能。因此,研究聚焦激光束对微粒的辐射力具有重要意义。基于广义惠更斯-菲涅耳原理和瑞利散射理论,本文分别研究了厄米-高斯光束、正弦-高斯光束和径向列阵高斯光束对折射率不同的两种瑞利微粒的俘获情况。主要工作包括以下三部分:推导了聚焦厄米-高斯光束的光强和作用在瑞利微粒上辐射力的解析表达式,研究了聚焦厄米-高斯光束对折射率不同的两种粒子的俘获情况,分析了光束阶数m和n对俘获效果的影响。研究发现,聚焦厄米-高斯光束在焦平面上呈现出矩形阵列分布的(m+1)×(n+1)个亮斑,而通过选取合适的光束阶数聚焦厄米-高斯光束可以实现在亮斑处(m+1)×(n+1)阵列捕获高折射率粒子,同时在暗区m×(n+1)阵列俘获低折射率粒子。此外,光束阶数越大,辐射力越大,越容易俘获两种类型粒子。推导了聚焦正弦-高斯光束的光强和作用在瑞利微粒上辐射力的解析表达式,并进行了相应的数值计算,主要研究了利用聚焦正弦-高斯光束来捕获两种类型粒子,以及正弦部分参数0Ω和焦距f对两种瑞利微粒的辐射力的影响,最后讨论了聚焦正弦-高斯光束对瑞利微粒的稳定捕获情况。研究发现,聚焦正弦-高斯光束在焦平面上沿?r轴呈轴对称分布,且两个光斑的中心光强最大。随着正弦部分参数0Ω的增大,聚焦正弦-高斯光束的光强随之增大,辐射力也增大,越容易俘获两种类型粒子。而聚焦正弦-高斯光束的光强与焦距f成反比,焦距f越大,光强随之减小,对粒子的辐射力也减小。因此,选择合适的正弦部分参数0Ω及焦距f,聚焦正弦-高斯光束可以实现在光强最大值处捕获高折射率粒子,同时在焦点处二维(x-y平面)捕获低折射率粒子。推导了聚焦相干叠加和非相干叠加径向列阵高斯光束的光强和作用在瑞利微粒上辐射力的解析表达式,研究了径向列阵高斯光束在焦平面对高折射率粒子的俘获情况。研究发现,聚焦相干叠加和非相干叠加径向列阵高斯光束在焦平面上均可以三维俘获高折射率微粒。此外,在焦平面上,聚焦相干叠加和非相干叠加径向列阵高斯光束中心光强最大,随着子光束个数M的增加,聚焦相干叠加列阵高斯光束的光强分布呈指数增长,而聚焦非相干叠加列阵高斯光束的光强最大值呈几何倍数增长。随着入射面子光束数目M的增加,光强最大值随之增大,辐射力也随之增大,越容易俘获粒子。
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