摘 要

反常涡旋线偏振光束是一种新型光束，由于其独特的性质使能够对微观粒子更加容易实现光学捕获，在经过深聚焦之后的光斑更是能达到亚波长级。本文研究了反常涡旋线偏振光束通过高数值孔径的透镜之后在焦平面的光强分布，讨论分析了反常涡旋线偏振光束深聚焦之后对瑞利粒子的捕获特性。

本文采用计算机模拟的方法，基于反常涡旋线偏振光束深聚焦之后的模型，分析了反常涡旋线偏振光束深聚焦之后在焦点附近的光场强度分布。并基于瑞利散射模型，研究反常涡旋线偏振光束对瑞利粒子的辐射力，分析了焦平面处散射力和梯度力的分布，讨论了反常涡旋线偏振光束的拓扑荷数和涡旋光阶数、透镜数值孔径以及粒子折射率等变量对瑞利粒子捕获特性的影响。数值模拟的结果表明，反常涡旋线偏振光束深聚焦之后能够对瑞利粒子实行稳定的捕获，并且对于折射率不同的粒子，其在焦平面附近能被稳定捕获的位置数量不同。

关键词：反常涡旋线偏振光束；深聚焦；瑞利粒子；光学捕获。

Abstract

Anomalous vortex linear polarization beam is a new type of beam. Due to its unique properties, it is easier to achieve optical capture of microscopic particles, and after deep focusing, the spot can reach sub-wavelength level. In this paper we not only research the intensity distribution of anomalous vortex linearly polarized beams in the focal plane after passing through a lens with a high numerical aperture, but also discusse and analyze. the properties of Rayleigh particles trapped by anomalous vortex polarization beams after deep focusing.

Based on the model of anomalous vortex polarization beam after deep focusing, we analyse the intensity distribution of anomalous vortex polarization beam near the focal point by computer simulation in this paper. In addition ,based on Rayleigh scattering model, study the radiation power of anomalous vortex linear polarization beam radiation for Rayleigh particles, analyzes the distribution of scattering and gradient forces near the intersection, discusse the effects of the topological charge number and vortex light order of anomalous vortex line polarization beam, numerical aperture lens and particle refractive index variable on Rayleigh particle capture feature. The numerical simulation results show that the anomalous vortex polarization beam can stably capture Rayleigh particles after deep focusing, and the number of stably captured positions near the focal plane is different for particles with different refractive indexes.

Key Words： Anomalous vortex polarization beam; Deep focus; Rayleigh particles; Optical capture.

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3研究目标及内容安排 2

第2章 理论基础 4

2.1 线偏振光的深聚焦理论 4

2.2 光镊理论 5

2.2.1光镊的定义 5

2.2.3 光镊的原理 6

2.2.3 稳定捕获的条件 7

第3章 反常涡旋线偏振光束的深聚焦光强分布 9

3.1 理论分析 9

3.2 数值模拟及结论 12

第4章 反常涡旋线偏振光束对瑞利粒子的捕获 18

4.1 瑞利粒子模型 18

4.2 数值模拟及结论 21

第5章 总结与展望 31

5.1 工作总结 31

5.2 展望 32

参考文献 33

致 谢 35

第1章 绪论

光是大自然中一种十分常见的现象，光学是一门有着悠久的历史又充满了现代元素的学科，从很早的时候开始，我们就开始了对光的研究，最开始的时候，我们用光来进行照明、取暖以及传递信息。成书于公元前三四百年的《墨经》已经可以运用光的直线传播定理解释小孔成像等的光学现象。在近代，自从光镊的概念被提出以后，由于其在捕获微小粒子方面的的具有突出的优势，人们对它的关注更多了。

1.1 研究背景及意义

随着物理、化学、生命等科学的发展，单一学科越来越难以继力持续发展，它们的前景越来越狭窄。混合学科，交叉学科异军突起，成为了近代先锋学科。在化学、生物等领域，随着人们对微观世界认识的深入，尤其是随着对于生命的研究进入到生命大分子层次，我们需要研究具有生物活性的单个生物大分子在生命活动过程中的具有的行为特征，以往的电子显微镜观察到的生命大分子都是经过化学处理之后的已经致死的干样品，不具备生命活性，这已经破坏了生命大分子的行为特征。我们亟需解决是的在保持生命大分子活性的条件下对生命大分子进行控制和操作。

对于形如生命大分子等的微观粒子的操作方式有接触式和非接触式两种，常规的机械操作属于接触式，在实际的操作过程中，机械操作很有可能会对微观粒子产生很大的干扰，从而影响操作结果。非接触式操作可实现连续操作，不产生污染，且对粒子的影响小，因此备受研究者的青睐。

光学捕获的概念由来已久，1970年，贝尔实验室的相关人员第一次使用深聚焦的激光捕获控制微小粒子。1986年Ashkin在光与粒子的相互作用中实现了强度分布高度不均匀的单光束激光对微小玻璃球的捕捉，提出了光镊的概念。所为光镊，就是利用光波束的力学效应来捕获和操作微小粒子，并且可以做到不接触微粒、对微粒不会造成机械损伤。光镊技术作为皮牛(pN)力的探针，其微观操作能力（可捕捉纳米级别的微粒）和超高的空间以及时间分辨率，为我们拉开了研究生物单分子的序幕。光镊的提出和发展，使得微粒捕获和操作技术发生了迅速发展。