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激光光束及其对微粒辐射力的研究

赵承良  
【摘要】: 自从A. Ashkin在1970年用激光的辐射力捕获和控制微小粒子以后引起了越来越多人的关注,被操控的粒子的范围很广,包括中性原子、分子、微型介质小球和活细胞等等。众所周知,光具有能量和动量,因此当光子和粒子发生作用时光子的动量和能量会和粒子发生相互交换,从而会产生激光束对粒子的梯度力和散射力。因此对激光束对粒子辐射力的研究显得十分重要。近年来,新型的复杂激光光束被大量研究,如空心光束、椭圆光束、平顶光束等,这些新型复杂激光光束的出现促使人们迫切地去研究它的传输变换特性以及将这些激光束应用到捕获微粒的辐射力研究上来。 本文在理论上研究了空心高斯光束和贝塞尔高斯光束这两种空心光束模型通过失调透镜系统和光阑系统的传输特性;用多模光纤获得了新的产生空心光束的方法并且通过改变入射激光束的相干度来提高光束质量,获得了多级衍射涡旋光束的干涉条纹;在理论上对高聚焦空心高斯光束、贝塞尔高斯光束和平顶光束与瑞利微粒作用时的辐射力进行了研究。 在过去的几十年里,部分相干光被大量的研究,并且已经被广泛的应用在很多领域,如自由空间光通讯、激光材料表面热处理、激光扫描、惯性约束核聚变、非线性光学、光学成像等。本文首次对光的相干性对微粒的辐射力的影响进行了研究,用部分相干高斯-谢尔模(GSM)光束和部分相干平顶光束计算了对瑞利微粒的辐射力。 同时,在光镊发明之后,在实验上采用的大部分激光源都是连续激光(CW),但是随着应用对象的多样化研究者开始把脉冲激光应用到光镊装置上来,用脉冲激光束对生物细胞动手术等实验操作,本文也首次对脉冲激光束对微粒的辐射力的影响进行了研究。 全文的组织结构为: 第一章,分别综述了光捕获的原理,激光传输理论的发展历史,空心光束的研究动态,激光操控微粒的研究背景以及光镊技术的发展概述,介绍了目前国内外的研究状况,指出了本论文研究的内容、目的和创新点。 第二章,分别介绍了激光传输的基础理论知识,部分相干光的基础理论,光辐射力的相关理论基础。 第三章,分别介绍了Cai和Lu引入的描写圆对称空心高斯光束和贝塞尔高斯光束这两种空心光束的理论模型。导出了空心高斯光束和贝塞尔高斯光束通过失调光学系统的传输变换公式。利用导出的公式,计算分析了空心高斯光束和贝塞尔高斯光束在通过失调光学系统中的传输性质。结果表明,空心高斯光束通过失调的聚焦光学系统后在焦点处变成了实心而不再保持空心形状,贝塞尔高斯光束通过失调系统之后还是能够继续保持其空心形状,因此证明空心高斯光束和贝塞尔高斯光束都是非常好的描述空心光束的理论模型。 第四章,介绍了空心光束的各种产生方法。在理论上我们提出用圆对称空心高斯光束通过三角棱镜的方法获得椭圆空心高斯光束,这是一种非常便利和有效的椭圆光束的获得方法。同时对用计算全息片获得的不同衍射级的涡旋光束的拓扑荷进行了研究,得出涡旋光束的拓扑荷不仅仅和计算全息片的拓扑荷有关而且与衍射级次也有关系。我们提出一种用多模光纤来产生空心光束的新方法,实验结果表明,通过改变入射光束的失调角度和位移能够获得空心光束,这是一种非常简捷的空心光束产生方法。同时我们通过降低入射光束的相干性来获得更佳质量的空心光束,实验得到的空心光束的光强分布更加均匀,光束质量更好。我们的实验方法为实验产生空心光束提供了一条很好的途径,为光镊装置提供了一种非常有效的空心光束光源。 第五章,简述了光辐射力的定义和不同的计算方法。主要是用激光束对瑞利微粒的辐射力进行研究。针对空心高斯光束能够在焦点处获得实心光束,在焦点附近获得空心光束的光束传输特性,我们将空心高斯光束应用到激光束捕获微粒的研究中去,理论计算结果表明,我们可以用空心高斯光束在聚焦的焦点处捕获那些折射率大于周围介质的微粒,在焦点附近处能够捕获那些折射率小于周围介质的微粒。实现了用一种光束分别捕获不同折射率微粒的方法。同时我们根据平顶光束的光束分布特性,对平顶光束捕获瑞利微粒进行了研究,结果表明,平顶光束也可以稳定的捕获微粒,并且可以通过增加平顶光束的阶数来增加稳定捕获区域,这个优点在实验上非常明显并且非常有用。还对贝塞尔高斯光束捕获瑞利微粒的辐射力也进行了研究,并且对捕获时的稳定性进行了分析。研究结果表明,可以用这两种空心光束模型来稳定捕获或引导微粒,特别是空心高斯光束更是能够捕获不同折射率的微粒,该优点在实验上具有非常大的实用意义。 第六章,简要概述了部分相干光的理论和实验研究状况,介绍了部分相干光的研究意义。我们将部分相干光应用到光捕获微粒的研究上来,采用部分相干高斯谢尔模(GSM)光束和部分相干平顶光束作为光源对瑞利微粒捕获时的辐射力进行了分析,同时对由部分相干GSM光束和部分相干平顶光束捕获微粒时的稳定性进行研究。研究结果表明,部分相干GSM光束和部分相干平顶光束都可以稳定捕获瑞利微粒,但是随着相干性的降低,微粒受到的辐射力也会相应的降低,但是同时发现,随着相干性的降低,光束捕获微粒的捕获区域会相应的增加。因此我们可以通过根据实际情况,在辐射力足够大的前提下,通过适当的降低相干性来获得比较大的稳定捕获区域。该研究成果将会对部分相干光应用到具体的光镊实验中具有指导意义。 第七章,简要回顾了脉冲光束的研究历史和发展概况,并着重介绍了脉冲光束应用到光镊装置中的研究工作。在理论上推导了脉冲光束对瑞利微粒辐射力的解析表达式,并分析了脉冲光束对瑞利微粒产生的辐射力。研究结果表明,不同持续时间的脉冲激光将会为瑞利微粒产生不同效果的辐射力,如果脉冲持续时间太大,将达不到稳定捕获瑞利微粒的效果;如果脉冲序列太小,则微粒受到的散射力远大于梯度力,因此微粒将会在激光束的作用下加速而无法实现稳定捕获。所以需要选择适当的脉冲序列以达到最佳的稳定捕获,该理论结果将会对实验上利用脉冲激光束捕获微粒具有重要的指导意义。 第八章,综述了光镊的实验装置,介绍了光镊装置所需的各个光学器件和要求,着重介绍了我们采用的各器件的性能,成功搭建了单光束光镊实验装置,实现了单光束对玻璃微珠的稳定捕获,得到了一些实验结果。


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