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局域空心光束的调控及光场特性研究

林兴磊  
【摘要】:光镊技术是囚禁和操纵微小粒子的重要工具,其基本属性之一就是光具有动量。光镊技术具有精确操纵的优势,可以达到无损伤操作生物样品的目的,因此成为了人们研究的热点。在探索新型光镊技术的过程中,研究者发现了一类特殊的光场模式-局域空心光束(Bottle Beam)。局域空心光束的定义是在光束传播方向上存在着光强很小甚至光强为零的三维闭合空间,类似于一个特殊的密闭容器。局域空心光束具有桶状光强分布和暗斑尺寸小等物理特性,使其在光学镊子和激光冷却等领域有着非常广阔的应用前景。因此,对于如何获得局域空心光束并对其特性进行分析成为了近年来的研究热潮。本论文对局域空心光束中已报道的研究方法进行调研分析。通过设计简单高效的整形系统,同时利用MATLAB软件和ZEMAX软件对局域空心光束的多种性质进行调控,进一步提高局域空心光束的实用性和多样性。本论文的研究工作主要划分为以下几个方面:(1)设计了一种生成多个局域空心光阱的系统。基于衍射积分和矩阵光学的理论,研究了多个光阱的位置与反射镜的偏转角度之间的规律关系。通过调控反射镜的偏转角度,能够实现光阱位置的任意变换,达到稳定囚禁微粒的目的。(2)利用绕轴旋转的圆形光阑产生椭圆高斯光束。设计了长短轴不同的椭圆高斯光束经过轴棱锥-透镜系统聚焦形成局域空心光束的光学系统,这种局域空心光束携带有不同大小的缺口。通过调控系统中的光场分布,研究了圆形光阑的旋转角度与局域空心光束的缺口大小之间的关系。这种方法可以实现空心光阱的自由打开和关闭,为粒子的捕获方式提供了一种技术手段。(3)利用多边形光阑(包括正三边形、正四边形以及正六边形光阑)对高斯光束进行整形。将整形后的光束入射到轴棱锥-透镜系统中,生成了携带有缺口的局域空心光束。分析了局域空心光束的中心衍射斑和光束形貌的特性,同时研究了多边形光阑的边数量和边位置对局域空心光束中缺口的影响。这对于局域空心光束的多领域应用研究奠定了基础。


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