涡旋光镊系统理论基础
发布时间:2020-04-15 15:09:46 编辑:麓帮主 阅读次数:1290

光是一种电磁波,而电磁波携带能量和动量。电磁波与物体发生相互作用时,能量、动量均发生变化,激光捕获就是利用了光与微粒之间的动量传递。根据动量守恒定律和动量定理,动量传递会导致光波对微粒产生力的作用。

在光轴方向上,光波对微粒的作用力可以分为两类,一类为散射力,散射力沿着光的传播方向,将微粒推离;一类为强度梯度力,梯度力沿光强梯度方向,将微粒推向光强梯度最大的位置。光镊产生的原因是光束对微粒的梯度力大于散射力,因此可以将微粒捕获在聚焦光斑中心附近。

根据粒子大小的不同,光束与粒子的相互作用理论模型可以分为三种:当粒子尺寸远小于光波长(d<λ/20,瑞利粒子)的时候,适用于瑞利散射模型;当粒子尺寸远大于光波长(d>5λ,米氏粒子)的时候,适用于几何光学模型;对于中间尺度粒子,只能通过电磁散射模型来计算LBTEK的光镊系统使用的微粒为直径4μm的二氧化硅微球,适合用几何光学模型进行分析。

几何光学模型从折反射定律角度来分析微粒的受力情况。光波入射到微粒表面时,会同时发生反射和折射,导致动量变化,产生力的作用。其中,反射光产生散射力(Fs),折射光在出射微粒时产生强度梯度力(Fg),当粒子受到的强度梯度力和光强散射力互相平衡时,即可实现对微粒的稳定捕获。
在与光轴垂直的方向上如果光波带有渐变的相位梯度,光束动量流就会存在一个分量,从而对光场中的微粒产生一个垂直于光轴方向的力,称为相位梯度力。在相位梯度力作用下,聚焦面上的粒子将绕光轴中心旋转。

涡旋光束是有渐变相位梯度的光束。它具有螺旋形相位波前,携带有轨道角动量,从而产生相位梯度力,因此可以使粒子旋转。其携带的拓扑荷数m不同,螺旋形相位波前的形状不同,相位梯度力大小和方向不同。m的绝对值越大,相位梯度力越大,粒子转速越快,演示视频中使用的涡旋光束m值为18。m的正负影响粒子的旋向,调节入射光的偏振态同样可以达到这一目的。

LBTEK使用自主研发的涡旋波片来生成涡旋光束。涡旋波片是一种偏振相关的PB(Pancharatnam−Berry)相位元件,它对入射光束产生螺旋相位调制需要依赖于入射光的偏振态,这一点与螺旋相位板产生涡旋光束是不同的。

综上所述,正是光波施加在微粒上的散射力、强度梯度力和相位梯度力的合力,使得微粒有不同的运动状态。

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