柱对称矢量光束在光学捕获中的应用开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

柱对称矢量光束在光学捕获中拥有非常好的应用前景，而人们对柱对称矢量光束也有很多年的研究历史。对于柱对称矢量光束从1972年便有人开始研究，最初人们利用激光振荡方式首次实验获得径向偏振光束。自此，关于径向偏振光束及其他柱对称偏振光束的研究越来越广泛和深入，并在近十几年逐渐成为光学领域的研究热点。由于独特的偏振分布，柱对称偏振光束具有独特的聚焦特性，特别是在高数值孔径情况下聚焦时。柱对称偏振光束在高数值孔径系统中聚焦时会产生一个很强的轴向分量，并获得更小的聚焦光斑，具有超分辨特性。2000年，KSYoungworth和TGBrown基于1959年BRichards和EWolf的矢量衍射理论推导了径向偏振光及切向偏振光在高数值孔径聚焦系统中聚焦场的数学表达式，研究了这两种柱矢量光束的聚焦特性。SQuabis等人也研究了径向偏振光的高数值孔径聚焦特性，并实验测试了三维聚焦场强度分布。随后，RDorn等人实验测量了径向偏振光聚焦场的轴向分量。QZhan进一步将研究拓展到任意形式柱矢量光束，推导了聚焦场计算公式，分析了光场聚焦特性。M.Rashid等人则在此基础上进一步讨论了高级次柱矢量光束的聚焦特性。

光学捕获是利用聚焦光束操纵微粒的一种技术。经过几十年的发展，光学捕获技术已被证明是一种非常有效的工具，并广泛应用于生物、医学、化学及物理等多个领域。而柱对称矢量光束具有独特的聚焦特性，特别是在高数值孔径下聚焦的时候。所以研究柱对称矢量光束在光学捕获中的应用是非常必要的。QZhan首先具体讨论了柱矢量光束在光学捕获方面的潜在应用，讨论了高数值孔径聚焦光束用于捕获金属粒子的可能性。YZhao通过光束整形获得了一种所谓的“光链”结构，可实现多个粒子的同时捕获与操控。另外，因为切向偏振光的聚焦场具有一种中空结构，即轴向强度为零，这种特性可用于捕获折射率低于周围媒质的微小粒子或中空微粒。同时切向偏振电场对应径向偏振磁场，而径向偏振磁场的聚焦特性类似于径向偏振电场，可用于磁性粒子捕获。可见柱矢量偏振光束在光学捕获中扮演着非常重要的角色。

2. 研究的基本内容与方案

本课题研究的主要内容是柱对称矢量光束在光学捕获中的应用。研究的基本内容包括：分析柱对称矢量光束形成的基本原理及其应用前景、建立柱对称矢量光束在光学捕获中的理论模型、研究柱对称矢量光束在光学捕获中的应用。

对于柱对称矢量光束的形成已经有很多人进行了研究，所以对于柱对称矢量光束形成的基本原理可采取通过查阅已有文献理解柱对称矢量光束形成的基本原理，并进行模拟仿真的方法进行研究。在此基础上再分析其应用前景。对于柱对称矢量光束在光学捕获中的应用的研究拟采用数值分析的方法，数值分析径向偏振光、切向偏振光以及高偏振级次轴对称偏振光束的高数值孔径聚焦场在满足瑞利散射条件下，与介质球形粒子相互作用时的梯度力分布，探讨其进行粒子捕获的可能性。在此可利用Matlab软件进行模拟仿真，绘制出聚焦场在焦平面及沿着光轴的强度分布以及对应的梯度力变化，这样就可以形象直观的看出当粒子置于聚焦场中，梯度力是如何将粒子吸引至焦点附近，从而实现粒子捕获的。

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，了解研究所需的理论知识、技术要求以及相关资料。确定方案，完成开题报告。

第4-8周：分析基本原理，进行理论推导。

第9-13周：建立模型，进行仿真模拟，得到模拟结果，整理数据，进行理论分析，开始撰写毕业论文。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]周哲海.轴对称偏振光束轴对称偏振光束的生成、特性及应用[d].北京:清华大学,2010.

[2]周炳琨，高以智，陈倜嵘，等.激光原理[m].北京：国防工业出版社，2009.

[3]赵维谦，唐芳，邱丽荣，等.轴对称矢量光束聚焦特性研究现状及其应用[j].物理学报,2013,62(5):054201.