高聚焦空心光束对介质小球产生的辐射力

【作者】 赵承良； 王立刚； 陆璇辉；

【机构】 浙江大学物理系光学研究所；

【摘要】 自从Ashkin在1970年用激光的辐射力捕获和控制微小粒子以后引起了越来越多人的关注, 被操控的粒子的范围很广,包括中性原子和分子,以及微型介质小球和活细胞等等。众所周知,光有能量和动量,因此当光子和粒子发生作用时光子的动量和能量会和粒子将会发生相互交换,从而产生了光对粒子的剃度力和散射力。因此对光对粒子辐射力的研究显的十分重要。由于很多被捕获和操控的粒子比如分子、细胞等其半径都是小于所作用激光波长,所以对半径小于波长的微粒的研究就非常有意义。本文就选用了半径小于入射波长的介质小球作为研究对象,在介质小球半径远小于入射光波长的情况下,我们可以把介质小球看作为一个点极子,可以用瑞利散射理论对光作用于介质小球的辐射力的大小和方向进行研究和计算。同时我们必须要考虑到捕获粒子的稳定性,这就必须使光产生的剃度力必须大于散射力,这样才能稳定的捕获粒子。并且由于粒子半径比较小,因此布朗运动也会对小球的稳定捕获产生很大影响,所以对捕获粒子的稳定性因子的研究就显的非常重要。在论文中我们选用了贝塞尔高斯 (Bessel-Gaussian Beam)作为操控粒子的激光源,分别取在高阶和低阶情况下对粒子产生的辐射力进行了研究,同时对改变粒子受力的影响因素进行了分析。计算结果表明利用高聚焦后的贝塞尔高斯光束能够很好的捕获和操控折射率小于介质的粒子,同时在不同入射光束参数下对贝塞尔高斯光束产生的辐射力的差别进行了比较,选用适当大小的入射光束的束腰和聚焦系统的焦距能够得到比较理想的辐射力。我们还得到,贝塞尔高斯光束通过高聚焦系统后,无论高阶或低阶光束对小球产生的剃度力都大于散射力,满足稳定捕获条件,并考虑了布朗运动和粒子自身重力后,其捕获粒子的稳定性因子也很好的满足条件。更多还原