非球形與結構微粒光學微操控的若干理論研究

《非球形與結構微粒光學微操控的若干理論研究》是依託復旦大學，由林志方擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：非球形與結構微粒光學微操控的若干理論研究
• 依託單位：復旦大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：林志方

項目摘要

項目擬基於T矩陣方法，結合多重散射理論，發展一些計算方法和程式，研究非球形微粒、結構與複合微粒以及微粒在修飾微環境中的光學微操控，探索與此相關的新物理現象、規律及其可能的套用。具體地說，我們將從事以下幾方面研究：1.基於擴展邊界條件法、分立偶極近似和多重散射理論，發展一套有效算法及程式，計算非球形、非均勻及結構微粒的T散射矩陣，藉以探索複雜微粒在各種光場中的新物理現象、規律及其可能的套用。特別著眼於複雜微粒內部自由度及其相關模式與共振對光力與光力矩的影響。2.基於多重散射理論，利用矢量球面波函式和矢量平面波函式的轉化，發展一套處理界面附近多微粒體系的電磁波多重散射計算程式,藉以探索一些修飾微環境及其誘發的共振在光學微操控中的作用及新物理效應。3.發展把光力分離為梯度力與散射力的算法與程式，並利用梯度力和散射力的分離，探索光場、環境和微粒的設計方案，實現對這兩種物理本質迥異的光力的分別調控。

結題摘要

光攜帶動量和角動量，當其動量、角動量因散射而被部分轉移給光場中的微粒時，微粒就感受到光場所施加的光力、光力矩。得益於雷射技術的發展，利用雷射光束施加的光力和光力矩可以實現對尺寸在幾十納米到幾十微米量級微粒的捕陷、傳輸、加速、牽引等操控。本項目為非球形微粒光學操控的理論研究。我們主要在以下兩方面取得的重要進展。1. 光梯度力和散射力的分解：光力套用中里程碑式的進展是對光梯度力的認識。這是諾貝爾物理獎得主Ashkin等人在上世紀八十年代提出並證實的概念，用於解釋目前已廣泛套用於物理、化學、生物等多領域的光鎳捕獲機制。近四十年來光學微操控實驗得到了極大的發展，由兩位分別獲得諾貝爾物理獎的實驗物理學家共同署名的文章中所證實的光梯度力概念，也在光學微操控領域得到廣泛套用。然而，除了尺寸遠小或遠大於光波長的兩個極限，人們尚不知如何計算作用於實際套用最廣的尺寸與波長相近的粒子上的光梯度力。本項目的重要研究成果之一，就是基於廣義Mie理論和平面波譜展開兩個不同切入點，發展了計算光梯度力的兩套理論體系。前者實現了與目前光力計算中套用最廣的廣義米氏理論的完美銜接，後者則可套用於推導光力的解析表達式，追溯光力的物理來源。基於我們的理論，我們在國際上首次導出一些簡單光場中任意大小微粒所受的光力解析式，並在簡單光場中發現光力空間分布的一些對稱性及不依賴於粒子大小、材料參數的不變性，而這些對稱性和不變性在總光力中無法顯現。2. 巨觀距離上的光牽引：我們在2011年首次發現存在光牽引力，理論結果得到其他組的實驗驗證。然而對球形微粒，實現光牽引需要貝塞爾光束具有大錐角。大椎角則使得光束因衍射效應而迅速發散，失去牽引能力。為解決這個兩難問題，和香港浸會大學吳紫輝博士合作，通過整合多種物理機制，包括：橫向各向同性、Snell定律、抗反射鍍層以及光干涉原理，我們成功地在錐角小至2度的貝塞爾光束中實現了對圓柱形微粒在巨觀距離（~ 14 cm）上的光牽引力。