瑞利微粒在平面波光场中增强的横向光学梯度力

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众所周知,光与物质相互作用时会发生动量交换,从而对物体施加光力。它们对宏观物体而言微不足道,但是对纳米到微米尺度的微粒的作用却变得十分显著。得益于激光技术的发展,光用来操控微粒变得切实可行。光学微操控就是借助光力来实现对微粒进行无接触、灵活可控、方便安全的操控,并已经成为研究在物理、化学、生物和医学等领域操控微粒中不可或缺的重要工具。近年来,为了改善光学微操控技术,科研工作者们主要聚焦于两个方面。首先,人们通过设计各种各样特定结构光场与微粒相互作用所产生的光力来操控粒子,如高斯光束、平面波、表面等离激元共振光场等。此外,对各种各样不同性质粒子的光学操控也被广泛考察,如电介质微粒、金属颗粒、镀层粒子等。基于这两种情况,本文主要致力于从数值计算和理论分析两方面研究瑞利微粒在平面波光场中增强的横向光学梯度力,主要研究内容如下。(1)研究单个镀层微粒在线偏振平面光场中增强的横向光学梯度力。基于全波模拟的方法,计算了作用在介质镀银、介质镀金和介质镀硅球的横向光力。与传统的介质微粒相比,通过在介质粒子上镀一层极薄的银壳,作用在镀层微粒上的光学梯度力可以提高两个数量级,而银壳的厚度仅为微粒尺寸的十分之一。然而,介质镀金和镀硅微粒上的横向光力却仅增强一个数量级,且镀硅厚度增加至微粒尺寸的一半。此外,镀银微粒的势能和光捕获强度比普通介质粒子都有两个数量级的增强,有利于实现稳定的光学捕获。值得注意的是,通过改变入射波长,作用在镀银球的光力可以增强两个数量级,而镀金球的光力只能增强一个量级。有趣的是,镀硅球的光力在400nm~1100nm的范围内都可以实现一个数量级的增强。(2)进一步对单个镀层微粒在线偏振平面光场所受横向光学梯度力进行溯源研究。基于多极展开理论,将作用在介质镀金、介质镀银、介质镀硅的横向光学梯度力分解为拦截力和反弹力。数值结果表明,镀银球和镀金球的光学梯度力的增强主要来自入射场与镀层微粒中激发的电四极的相互作用。然而,镀硅球增强的光学梯度力却主要来源于磁偶极与光场的相互作用。值得注意的是,在瑞利范围内,微粒常用的偶极近似的光力表达式对我们的情况并不适用。这些结果不仅将拓展光镊的应用范围,还丰富光学操控技术。
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