【摘 要】
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光镊是由强会聚的激光束构成的一种光操纵技术,研究者可以利用该技术实现对微米甚至纳米量级的粒子进行非接触、无损伤的操纵和捕获,是目前光学领域的研究热点,在细胞生物学和分子生物学等领域有广阔的应用前景。光镊技术的理论研究主要聚焦于光束与粒子的相互作用,主要包括:粒子在光势阱中的受力及其动力学过程。本论文基于广义米氏理论,利用平面电磁波展开的方法计算了高斯光束的波束形状因子,推导出粒子在高斯光束作用下散
【基金项目】
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广东省自然科学基金项目（2016A030313398）； 广州市科技计划项目（201607010176）； 广东省高水平大学建设项目；
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光镊是由强会聚的激光束构成的一种光操纵技术,研究者可以利用该技术实现对微米甚至纳米量级的粒子进行非接触、无损伤的操纵和捕获,是目前光学领域的研究热点,在细胞生物学和分子生物学等领域有广阔的应用前景。光镊技术的理论研究主要聚焦于光束与粒子的相互作用,主要包括:粒子在光势阱中的受力及其动力学过程。本论文基于广义米氏理论,利用平面电磁波展开的方法计算了高斯光束的波束形状因子,推导出粒子在高斯光束作用下散射的解析解,最后利用动量守恒推导出粒子在高斯光束作用下所受的光辐射力。本论文研究的内容主要包括以下几个方面:（1）研究了计算高斯光束波束形状因子的算法。利用积分局域近似法推导了波束形状因子的表达式,对比了各种波束形状因子计算方法的优缺点。此外,结合米氏理论,得到了颗粒在高斯光束作用下的散射及其所受辐射力的计算方法;（2）基于上述算法利用Python编程开发了一款可交互的光学仿真软件,该软件可用于计算球模型和核壳模型纳米颗粒在平面电磁波作用下的散射及其各模式分量对散射的贡献、吸收和消光效率以及内外场分布等,并进行可视化展示;（3）利用MATLAB编程实现广义米氏算法,可求解纳米颗粒在高斯光束作用下所受的横向和轴向辐射力,相比传统利用软件进行模型仿真的方法而言,其计算效率及精度得到了大幅提高;（4）基于编程实现的广义米氏算法,系统地研究了硅、贵金属（金,银等）纳米颗粒在高斯光束作用下所受光辐射力的大小以及不同阶共振模式以及模式之间的相干相互作用对粒子所受光力的影响。综上,本论文的研究结果能够为微纳米粒子在高斯光束作用下所受光辐射力的大小提供一种新的预测仿真手段。相对传统数值仿真的方法而言,本论文提出的基于编程实现的广义米氏算法具有速度快、内存需求小以及效率高的优点。更重要的是,通过广义米氏算法不仅可以分析颗粒所受的总辐射力,还能深入研究各阶共振模式对总辐射力的贡献,为探索光与粒子相互作用背后深层次的物理机制提供理论依据。
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