【摘要】：光與物質(zhì)相互作用過程中,光場和物體之間的動量交換所導(dǎo)致的物體動量隨時間的變化率稱之為光的力學效應(yīng)。目前,基于光力效應(yīng)的操控技術(shù)是控制微納物體運動狀態(tài)的最佳手段,其具有非接觸、無破壞、精確、快速等優(yōu)點,在生物、化學、納米、量子等眾多領(lǐng)域都具有重要應(yīng)用前景。近年來,光學牽引力和光學橫向力這兩種非傳統(tǒng)光力的研究受到廣泛地關(guān)注。通過光場、物體及結(jié)構(gòu)化背景之間復(fù)雜的相互作用和動量交換,可以實現(xiàn)對物體更多維度的光學操控。本文主要聚焦在結(jié)構(gòu)化背景中微納尺度物體的異常光力研究:光子晶體背景調(diào)制下的光學牽引力產(chǎn)生及物理機制;空氣-水界面上手性小球的光學橫向力產(chǎn)生及反轉(zhuǎn)效應(yīng)。基于光子晶體背景對光場的強大調(diào)節(jié)能力,研究了光子晶體中基于強度梯度力的光學牽引效應(yīng)。研究了光子晶體衰減模中不同尺寸和折射率小球的受力情況:在弱散射情況下,衰減模的梯度力占主導(dǎo),小球受到光學牽引力;在散射較強時,散射力提供的光學推力起主要作用。因此實現(xiàn)了強散射粒子和弱散射粒子的分選。構(gòu)建彎曲的光子晶體波導(dǎo)通道,實現(xiàn)了粒子曲線路徑的光學牽引。通過能帶求解和分析,構(gòu)建了支持自準直模傳輸?shù)墓庾泳w結(jié)構(gòu),研究了散射體在該特殊布洛赫模中的光學力。通過物體幾何參數(shù)和光學參數(shù)的調(diào)節(jié),得到了物體受到光學牽引的條件。通過對牽引光力的深入分析發(fā)現(xiàn)光學牽引力主要是由物體內(nèi)部局域光場的強度梯度產(chǎn)生的,而該強度梯度則是由物體自誘導(dǎo)而產(chǎn)生的。并討論了該牽引力的帶寬特性、與入射角度的依賴關(guān)系,以及對結(jié)構(gòu)隨機擾動的魯棒性,并基于光子晶體自準直模的自恢復(fù)特性,討論了多個物體同時牽引的方案。研究了光子晶體通道中基于模式轉(zhuǎn)換的光學牽引力。設(shè)計了支持雙模傳播的光子晶體波導(dǎo),理論分析表明這兩個模式攜帶不同的前向動量密度。當入射模為低動量密度模式時,由散射體所引發(fā)的模式轉(zhuǎn)換會造成光場前向動量放大,從而對散射體產(chǎn)生光學牽引力,分析了不同散射分量對光學牽引力的影響。理論推導(dǎo)出了基于模式轉(zhuǎn)換和動量守恒原理的牽引光力表達式,并與數(shù)值模擬結(jié)果完全吻合。由于所提出的系統(tǒng)具有在非共振情況下工作的特點,所以可在寬頻范圍內(nèi)實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生光學牽引力。進一步研究表明,物體在通道中的后向散射對光學牽引力的產(chǎn)生有抑制作用,因此提出通過引入拓撲機制來消除通道中的后向散射。并基于此構(gòu)建了具有單向傳播特性的雙模拓撲光子晶體波導(dǎo),從而更有效率地實現(xiàn)對物體的光學牽引。研究了空氣-水界面背景中手性粒子的橫向光力。本文建立了空氣-水界面上手性粒子的受力模型,研究手性Mie粒子在光束傾斜入射情況下受到的光學橫向力。結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同于偶極近似下的手性小球橫向力的方向僅僅與手性有關(guān),Mie粒子所受橫向光力的大小和方向不僅與手性有關(guān),還與小球的尺寸,入射光方向有關(guān),并發(fā)現(xiàn)了光學橫向力反轉(zhuǎn)效應(yīng)�；谄掠⊥⑹噶糠植�,給出了光學橫向力及其反轉(zhuǎn)效應(yīng)的解釋。詳細討論了入射角度、入射偏振、小球尺寸、小球手性參數(shù)和手性不均勻?qū)鈱W橫向力及其反轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響。光學牽引力和光學橫向力的研究,為光操控提供了新的自由度,極大豐富了光操控技術(shù)的功能和應(yīng)用范圍,同時也深刻揭示了光與物質(zhì)相互作用的機理。本論文的研究對光操控的理論和技術(shù)應(yīng)用都有重要價值。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O43

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本文編號：2678515