摘 要

本文主要分析计算了金属瑞利粒子在强聚焦后的径向矢量光场中的受力。金属粒子由于其在光场中受到较大的散射力和吸收力，很难被捕获。矢量光束是一种偏振态随空间位置变化呈非均匀分布的光束，以矢量光束为光源的光镊可以很大程度上减少金属粒子所受的散射力和吸收力，提高捕获效率。微粒在光镊中主要受到梯度力和散射力的作用，梯度力总是将微粒限制在光强梯度最大的地方，散射力则给微粒逃脱光阱的推力。径向矢量光束聚焦之后会产生一个很强的横向分量，从而产生很大的梯度力，与此同时这个很强的横向分量不会对光轴上的坡印廷矢量产生影响，故不会产生轴向的散射力，当梯度力比散射力大得多的时候，就能够很稳定的捕获微粒。因此，以径向矢量光束为入射光的光镊可以实现对金属瑞利粒子很稳定的捕获。本文给出了径向矢量光场的场分布和聚焦之后的场分布，计算了金属瑞利粒子在光场中所受梯度力和散射力，并画出了梯度力和散射力沿光轴和横截面变化的曲线。

关键词：梯度力；散射力；径向矢量光束；金属瑞利粒子；捕获

Abstract

This paper introduces the force of metallic Rayleigh particles in a highly focused radially polarized beam. Metallic particles is hard to be trapped beacuse of its strong scattering and absorption forces. The polarization of vector beam is in a nonuniform distribution with the change of the space position. Optical tweezers can greatly reduce the scattering and absorption forces of metallic partilces and enhance the trapping efficiency by using vector beam as the incident beam. There are two types of radiation forces in optical tweezers: gradient force and scattering force. Gradient force will always limits particles in where the gradient of the light intensity is the biggest, scattering force will push the particles out of the optical trap. The strong axial component of a highly focused radially polarized beam provides a large gradient force, and it does not influence the Poynting vector along the optical axis, so it does not create axial scattering force. When gradient force is much larger than scattering force, there is a stable trap. So optical tweezers can stably trap the metallic Rayleigh particles by using radially polarized beam as incident beam. In this paper the distribution of radially polarized beam and highly focused radially polarized beam is given, the gradient and scattering forces of metallic Rayleigh particles are calculated and give a line which represents the changes of gradient and scattering forces along the light axis and cross section.

Key Words: Gradient force; Scattering force;Radial polarized light;Metallic Rayleigh particle; Trap

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 光镊技术的发展 1

1.2 以矢量光束为光源的光镊 2

1.3本次设计的内容 2

第2章 光镊的基本原理 4

2.1 光辐射压力 4

2.2 单光束梯度阱 6

2.3 本章小结 7

第3章 径向矢量光束对金属瑞利粒子的捕获 8

3.1 矢量光束 8

3.2 径向矢量光束的场分布 9

3.3 金属瑞利粒子在径向矢量光场中的受力 10

3.4 本章小结 12

第4章 金属瑞利粒子在径向矢量光场中的受力模拟 13

4.1受力模拟 13

4.2 粒子捕获的因素 15

4.3 本章小结 16

第5章 总结 17

致谢 18

参考文献 19

第1章 绪论

1.1 光镊技术的发展

光镊捕获微小粒子是通过光与物体相互作用发生动量交换实现的。当光照射到电介质透明小球上时，一部分的光发生反射，另外一部分光发生折射，反射光和折射光的方向与入射光方向不同。光是一种电磁波，它既携带有动量也携带有能量。当光束照射到绝缘的介质球上时，二者之间会发生动量交换，介质球的动量发生改变^[1]。介质球的动量发生变化，就会受到力的作用，我们把这种力称为光辐射压力反射所产生的力会推动介质球，折射产生的力沿着动量改变的方向。光辐射压力跟入射光的强度有关，入射光强度越大，辐射压力就越大。当然，我们在日常生活中基本感受不到光辐射压力，因为这种辐射压力非常小，我们只在微观世界中讨论它。

贝尔实验室的A.Ashkin是最早对光镊进行研究的科研工作者。1970^[2]年A.Ashkin等人提出用一束连续激光所产生的辐射压力形成的稳固光阱能加速和捕获微米尺寸的微粒。他认为如果微粒的折射率比周围介质折射率高，就会受到光束的横向的拉力作用。1986年，Ashkin^[3]等人突破了二维光阱的限制，只用一束高度聚焦的光束就形成了一个稳定的三维光阱，实现了对微粒稳定的捕获。这种由一束光束聚焦之后形成的光阱就是最早的光镊。Ashkin 还用射线模型分析了这种由一束光聚焦形成的三维光阱，作出了相应的理论分析和公式推导，并给出了详细的计算公式计算米氏粒子在这种单光束聚焦形成的三维光阱中的受力，这些推导被后来研究光镊的科研人员多次引用。1998年P.Zema´nek^[4]等人将一束光经过分束器分成两束同样的光束，相对入射形成驻波，因为形成驻波的两束光性质相同，所以在驻波波节处微粒受到的散射力为零，这样就使得捕获微粒的光阱更加稳定。Martin Siler^[5]等人发现在金纳米的谐振界面上形成的光阱可以突破衍射极限，以此可以实现纳米量级的捕获。

在国内，近年来有很多的科研人员开始了对光镊的研究。李银妹等人的研究小组最先开始对光镊以及旋转光镊的理论研究和实验验证，中国科技大学、燕山大学、南京大学、浙江大学等等高校也有各自的实验室和课题组在进行对光镊技术的研究。