金属瑞利粒子在径向矢量光场中的受力分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

光镊也叫光学镊子，通过光与物体接触产生光压，二者之间产生力的作用，从而实现对微小粒子的捕获和操控。与传统镊子相比，光镊具有非接触性的特点，能够最大限度减小对微粒的损伤，因此在生物医学、化学、微观领域等方向广泛运用。

自从1970年Ashkin利用聚焦光束的辐射力俘获水中的玻璃微粒以来，光学俘获这种非接触式的特点已成为操控纳米级粒子的有力手段。1971年，Ashkin等人将功率为250mW的连续激光，垂直照射在半径为20毫米的透明小球体上，使之悬浮在空气和真空中。之后他们又用激光束，实现液体颗粒的悬浮。1986年，Ashkin首次用高斯光束俘获单个粒子成功。光学俘获已经成为操纵微米级到纳米级颗粒的一种重要手段，光学俘获由最初的单束俘获发展到多数俘获，其操纵空间也由一维发展到三维。许多学者先后利用线性偏振光、圆偏振光等来设计光学俘获的实验装置。Garces-Chavez课题组研究了以零阶贝塞尔光束为光源的光镊，可获得与波长相当的俘获范围。Little课题组开展了飞秒脉冲光镊与连续光镊的比较研究，指出飞秒脉冲光镊与连续光镊具有相当的俘获效果。Ambardekar及其合作者完成了用脉冲光镊捕获和操纵附着在玻璃表面粒子的实验。

中国科技大学光镊微操作实验室是从1989年开始研究光镊及其生物应用的单位，在国际上也是较早的单位。他们不仅理论分析了光与物体之间的相互作用力，还率先研制成功了细胞激光微操作系统。2008年，李银妹课题组又将暗场显微术观察光散射技术与光镊技术相结合，在传统光镊系统上从侧面耦合一束片状激光照射样品，在特定的激光入射位置，使样品的粒子的散射光可通过显微镜成像，达到了光镊捕获纳米粒子的同时也能观测的目的。西安光学精密机械研究所姚保利课题组开展了特殊模式光场下光学微操控的理论和实验研究，先后掌握了激光光镊及飞秒激光光刀等核心技术。复旦大学、浙江大学、哈尔滨工程大学等等高校也有许多研究人员和课题组对光镊进行相应的研究。

本设计是金属瑞利粒子在径向矢量光场中的受力分析，主要模拟分析金属瑞利粒子在轴对称偏振光束焦点附近的受力。当所捕获微粒直径小于捕获激光波长的十分之一时，可以把这个微粒当作一个电偶极子，用偶极子在电磁场中的受力模型来分析此类粒子在激光场中的受力与运动，此类粒子称为瑞利粒子。光的轨道角动量与光场特定的空间分布相联系，而自旋角动量则取决于光束的偏振状态。因此，以不同偏振态的矢量光束为光源的光镊对粒子的捕捉效果各不相同。因聚焦的径向偏振光能产生很强的轴向电场分量，从而产生很大的轴向梯度力，而轴向的散射和吸收力不会增大，径向偏振光镊可用以捕捉通常标量光镊难以捕捉到的金属粒子。光镊非接触式操控的特点，打开了无损地研究活细胞的方便之门，在纳米科技和生命科技迅速发展的21世纪，作为这两个领域得力工具的光镊技术必将具有光明的应用前景，成为本领域科学研究不可或缺的技术手段之一。

2. 研究的基本内容与方案

本设计研究了金属瑞利粒子在径向矢量光场中的受力分析，光镊已经被广泛利用于生物医学研究领域，有的也被应用于特殊领域的远场光镊技术，并称为生物医学、化学、物理学等众多学科领域中的研究工具。光镊是利用激光微束的动力学效应实现的。即把具有一定强度和模式的激光束会聚到微米量级，形成激光微束，则在光束焦点附近不仅具有沿光束传播方向上的使微粒产生偏移聚焦中心的散射力存在，而且在垂直光轴传播方向上还产生一指向光束焦点的力，该力的大小正比于光的强度梯度，因而又称之为梯度力。当所捕获微粒直径小于捕获激光波长的十分之一时，我们可以把这个微粒当作一个点偶极子，用偶极子在电磁场中的受力模型来分析此类粒子在激光场中的受力与运动，此类粒子成为瑞利粒子。相对于普通介质微粒，金属粒子在电磁场中有较大的吸收和散射，因而不易被捕获。使用矢量光束作为光镊的光源，可使金属粒子的散射与吸收相抵消，从而提高光束对金属微粒的捕获效应。

本设计目标在于分析通过径向偏振光照射在金属粒子上所产生的梯度力，散射力和吸收力。采用偶极子模型来模拟、分析金属瑞利粒子在径向轴对称偏振光束焦点附近的受力及运动，从而说明使用矢量光束作光镊光源可以有效减少轴向散射力的优势。通过使用matlab来模拟出金属瑞利粒子在会聚的径向矢量光束焦点附近的各种受力即梯度力，散射力，吸收力。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解光镊的基本原理，确定方案，完成开题报告。

第4－5周：掌握光镊的相关知识，并对需要应用的软件进行学习。

第6－8周：完成一篇不少于5000字的英文文献翻译，进一步理解光镊捕获瑞利粒子的原理和矢量光束特点。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] zhang yao-ju, dai yu-xing.multifocal optical trapping using counter-propagating radially polarizedbeams[j]. optics communications, 2012,285(5):725-730.