各向异性微纳增益颗粒光操控研究开题报告

1. 研究目的与意义

各向异性现象在自然界中广泛存在，许多物质都呈现出各向异性特性，比如:围绕在地球上方的电离层，许多有机、无机物等。此外，除了自然界存在的这些物质以外，还有许多人工合成的各向异性材料，比如光信号处理中的信号元件等。值得关注的是各向异性材料能够有效影响目标或散射体的雷达散射截面，因此被应用于雷达天线屏蔽器、光导纤维、一些雷达吸收器、微波传输带天线的基带等诸多方面。在国防技术中，各向异性等离子体材料经常被应用于目标的隐身技术。作为一种重要的各向异性材料，铁氧体在微波和毫米波器件如绝缘体、环形器、开关和移相器等产品中得到了广泛的使用，其材料特性会随着外加磁场的场强和方向变化而变化。鉴于这一独特性质，铁氧体材料在天线技术中也被大量采用。随着各向异性材料在微波工程、集成光学、毫米波技术，复合材料技术，遥感技术和装甲技术等领域中的广泛应用，电磁波与各向异性体间的相互作用引起了越来越多专家和科研工作者的关注[1]。另一方面，增益介质常应用在激光器的设计中，且激光在该介质中的传输特性与在自由空间有显著的差异，因此被人们广泛研究, palma及其合作者研究表明，部分相干光束在增益或损耗介质中传输时相干性变化较为明显。zhang等人研究了部分相干平顶光束在增益色散介质传输中的光谱特性，讨论了介质的色散特性、增益特性以及中心频率、光谱宽度、空间相干参数等光源参数对光谱漂移的影响，结果表明，色散介质的折射率和光源参数对光谱漂移有影响。pu和olga研究了随机电磁光束在增益或吸收介质传输中的光谱和偏振特性，证明了在这种介质中传输的光束的统计特性与光源特性和介质波数有关[2]。

最近几年,人们发现了光学吸引现象,它是完全由于电磁散射的作用产生指向光源的电磁力,起源于被入射场激发起的多极子之间的干涉效应。目前,光镊、光学束缚以及光学吸引成为光学微操控的三种方式[4]。通常情况下，光对小粒子的作用力通常很小，如何增加作用力并对粒子进行稳定操纵一直是一个热门话题。最近，提出了一种关于小磁介电粒子的光学力的理论。后来，人们发现硅球同时具有偶极磁响应和电响应，并研究了入射平面波对这些粒子的光学作用力，最近，光学拉力——小固体球的后向拉力和涂层球的前向传播光束受到了广泛关注。

基于扩展mie理论和麦克斯韦应力张量方法,研究了零阶贝塞尔光束照射下径向各向异性对各向异性核/等离子体壳纳米粒子所受光力的影响。发现了这种核壳结构纳米粒子在fano共振下的光学拉力,当径向介电常数远大于各向异性核的切向介电常数时,这种拉力会增强。此外,各向异性铁心的负介电常数容易产生很大的拉力。通过调节各向异性参数,光拉力也可以可调,可以作为粒子选择的实现。我们的研究结果将为纳米操纵提供未来的前景,并为纳米粒子的光学分选和选择提供自由[10]。

2. 研究内容和问题

基本内容：在平面电磁波的入射下，根据各向异性微纳增益颗粒的电磁散射理论，推导得出微纳颗粒的电磁场分布，分析微纳颗粒的光力。研究各向异性微纳增益颗粒光拉力产生的条件，调节微纳颗粒的几何参数及物理参数调控光力。

解决的关键问题：通过麦克斯韦应力张量沿颗粒表面积分来获得各向异性微纳增益颗粒所受的时间平均总光力是我们需要解决的关键问题。另外，分析各向异性微纳增益颗粒所受光拉力的增益阈值也是一个关键所在。

3. 设计方案和技术路线

对于各向异性微纳增益颗粒体系，求解麦克斯韦方程组，建立全波的电磁散射理论。

在球坐标系下，将电磁场矢量分解成微分形式，用无穷级数形式求解电磁场。

利用局域电磁场对麦克斯韦应力张量进行积分，得出各向异性微纳增益颗粒体系所受光力。

4. 研究的条件和基础

课题申请人已经进行电磁场与电磁波这门课程的学习，熟练掌握麦克斯韦方程组，并能合理运用其进行解析推导。指导老师可以提供Mathematica、Origin等科学软件供课题申请人进行数值计算。课题组已经具备完成毕业课题的基础条件。