微粒光負力矩與逆光傳輸理論研究

《微粒光負力矩與逆光傳輸理論研究》是依託山西大學，由陳君擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：微粒光負力矩與逆光傳輸理論研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳君
• 依託單位：山西大學

項目摘要

光學微操控主要研究光力與光力矩對尺度在幾十納米到幾十微米量級的微粒的俘獲、束縛、傳輸、轉動等操作，對物理、生物、化學等多個科學領域都起到了非常重要的影響。本項目主要開展對微粒光負力矩與逆光傳輸現象及相關問題的理論研究。主要研究內容包括：對光負力矩產生機制的研究，光負力矩是我們繼提出光吸引概念後對基礎光學理念的又一創新，為光學微操控提供了更多的靈活性和自由度，將在DNA測序、微納機電系統等方面發揮重要的作用；最佳化光吸引力，擴展其實現範圍，使其向實際套用更進一步；分析微粒在各種俘獲光束中的傳輸機制；得到光力的多極展開，解析區分Mie粒子受到的梯度力和散射力，以便更好的分析現象背後的物理原理;完成邊界元程式與快速多極法的結合以及增加三維計算的準確度。本項目的研究內容既是當前光學微操控的重要理論前沿問題，也可為實驗研究提供可靠的依據，並對光學微操控技術的開發與套用具有直接的參考價值。

結題摘要

對微粒的操控依賴於光產生的光力和光力矩。光力可以推動粒子遠離光源，也可以牽引粒子朝向光源運動。而藉助光力矩則可以使粒子自由轉動。本項目基於多重散射理論、多極展開理論、邊界元方法等理論方法，圍繞產生光負力矩、逆光傳輸的多種機制以及相關熱點和基礎問題進行了一系列研究。在對光負力矩的研究方面，一方面我們採用具有旋轉對稱性的單層結構，研究結果表明帶有正角動量的入射光可以使結構得到負力矩而逆向轉動，其實現原理是由於光到達結構不同位置處的光延遲產生，並且可以通過適當增加結構的分立旋轉自由度來提高負力矩；另外我們還採用雙層結構來得到負力矩，同時解決了入射光角動量有限，以及多個單層結構對入射光競爭的問題，使得只用少量光就可以實現大的力矩，並且極大減少了吸收導致的負面效應，還可以使難被轉動的低介電常數結構的力矩提高兩個量級；並且我們還藉助自旋軌道耦合，採用螺旋金屬線產生負力矩，同時產生可調控的渦旋光場。在逆光傳輸方面，我們對各種牽引光束實現原理做了辨析，並且採用了二維長方體結構極大減少了產生吸引力的入射光角度。在數值以及解析分離Mie粒子所受梯度力和散射力基礎上，我們研究了材料介電常數、微粒半徑、數值孔徑等因素對梯度力和散射力各自的影響，實現了對微粒更加準確、靈活的操控。對光動量和光角動量在光力和光力矩中的貢獻做了分析，給出了光力和光力矩的完整的任意階電磁多極矩展開解析表達式。同時，我們逐步實現跨學科融合，採用拉蓋爾高斯光束解決了帶有NV色心的金剛石熱損耗問題。在項目執行期間，我們在國內外學術期刊發表文章5篇，與本項目有關的若干文章正在完善或即將投稿，在多個國際會議上就本項目課題做了分組報告，受到國內外同行的廣泛關注和引用。項目結果為光學微操控提供了更多自由度，將在細胞篩選、分子提純、細胞手術等方面發揮重要作用，為實驗提供了有用的參考資料，有助於複雜光機系統的發展。