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粒子在双涡旋光束中的受力特性研究

作　者: 吴同彩
导　师: 徐建波
学　校: 山东师范大学
专　业: 光学
关键词: 粒子径向力横向力光学涡旋双涡旋光束轨道角动量
分类号: O436
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

光学涡旋在生物学和医学领域得到广泛应用,利用光涡旋可以成功的实现对粒子的操纵,随着光涡旋技术的不断发展逐渐成为生命技术及微操纵研究领域的有力工具。近几年,为了提高粒子的捕获效率,许多专家学者又提出了利用双涡旋光束实现对粒子的操控,并且通过实验验证了其理论的可行性。对于传播方向相反的两束涡旋光束,其拓扑荷为L1=-L2 ,当这样的两束光发生干涉时,由于它们的轨道角动量前后一致的重合、相互平衡,用这样的两束涡旋光束可以稳定的没有旋转的捕获粒子。这样的设置是通过涡旋光束反射,旋转方向仍未改变,实际上是反转拓扑荷,这样的涡旋光束具有双倍的光学轨道角动量,从而提高了粒子的捕获效率。本文主要研究粒子在双涡旋光束下的受力情况,根据拉盖尔-高斯光束光场的表达式推导出粒子的受力表达式。分别从径向和横向两个方向分析了粒子的受力情况,估算了粒子在双涡旋光束中所受的径向力随粒子半径与光腰半径的比值、衍射距离的变化关系,以及粒子所受横向力与涡旋光束环半径的关系,根据模拟图像,估算了捕获粒子的最大径向力和横向力。结果表明:在粒子半径小于涡旋光束的光腰半径的情况下,径向力随粒子半径与光腰半径的比值的增大而增大;在粒子半径小于涡旋光束的光腰半径的条件下,径向力随着衍射距离的变化,出现了峰值和最小值。通过对粒子横向受力的分析,发现半径比较小的粒子总是被束缚在光轴附近,随粒子半径的增大诱捕区域也在扩大。全文共分为四部分:第一章介绍了光涡旋技术的发展历史及其重要应用。并说明了本论文所要研究的主要问及研究结果。第二章介绍了光束涡旋的轨道角动量及其传递。论述了光学涡旋的基本理论。从数学上明确光学涡旋的定义和描述,然后介绍了测量光学涡旋轨道角动量的实验;对光学涡旋轨道和自旋角动量在不同环境下向物体的传递作了系统介绍,并分析了光学涡旋的力学效应。第三章介绍了粒子在涡旋光束中的受力分析。介绍了粒子在高阶贝塞尔光束中的受力分析,根据该光场的表达式推导出粒子的受力表达式。讨论了光波长、粒子半径、束腰半径与轴向力的关系,并且对瑞利粒子和米氏粒子在涡旋光中的受力作了分析。第四章介绍了粒子在双涡旋光场光束中的受力分析。从理论上分析了空气中的球形吸收粒子在双涡旋光束中的受力特性,分别从径向和横向两个方向分析了粒子的受力情况,估算了粒子在双涡旋光束中所受的径向力随粒子半径与光腰半径的比值、衍射距离的变化关系;以及粒子所受横向力与涡旋光束环半径的关系,估算了捕获粒子的最大径向力和横向力。第五章全文总结

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
第一章光学涡旋概述  9-15
  1.1 光学涡旋的发展历史  9-12
  1.2 本文的研究意义和主要内容  12-15
第二章光学涡旋的角动量  15-23
  2.1 光学涡旋的角动量理论  15-18
  2.2 涡旋光束的角动量的测量和传递实验  18-20
  2.3 光学涡旋的分数轨道角动量  20-23
第三章粒子在涡旋光场光束中的受力分析  23-35
  3.1 光捕获和操纵的原理  23-24
  3.2 光学涡旋中物体的受力  24-27
  3.3 产生光学涡旋的方法  27-29
  3.4 粒子在涡旋光束中的受力分析  29-35
第四章粒子在双涡旋光束中的受力特性研究  35-49
  4.1 涡旋光束概述  35-37
  4.2 双涡旋光束的产生及其捕获粒子的装置  37-40
  4.3 粒子在双涡旋光束中的受力分析  40-49
第五章全文总结  49-51
参考文献  51-57
攻读硕士学位期间发表的文章  57-59
致谢  59

粒子在双涡旋光束中的受力特性研究

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