双平行圆柱形MDM纳米棒等离子体波导的传输特性分析

设计了一种由双平行圆柱形纳米棒构成的金属-介质-金属(MDM)型等离子体波导,采用时域有限差分方法(FDTD)分析了波导结构的传输特性。当光波垂直主轴入射时,电磁场被很好地局限在两纳米棒所形成的中间区域以及介质层中,从而在该波导中能够有效地耦合电磁场能量。在工作波长为1 550 nm的情况下,随着内层金属芯半径的增大,有效折射率减小,传播距离增大;而中间介质层厚度增大时,有效折射率增大,传播距离减小。当外层金属壳厚为20 nm时,电场可以很好地被限制在纳米棒的介质层内。上述结果表明:通过调整波导结构的几何参数可以显著提高金属纳米棒的场限制,降低波导本身的损耗, 使波导的有效折射率和传播长度达到最优化。这种等离子体波导能够实现亚波长的光限制,可以应用于光子器件集成和传感器领域。     

聚焦光场俘获微球的FDTD分析

基于动量守恒原理,采用2维时域有限差分方法(2D FDTD)建立了激光场对微米量级微球的作用力模型,讨论了入射高斯光场的波长、束腰半径、微球的折射率和半径等对聚焦光场俘获力的影响.结果表明：位于聚焦光场中特定位置的微球可被俘获,当离轴距离增加,俘获力减小.微球所受到的俘获力与微球的折射率有关,当小于环境折射率时(如汽泡),不能形成俘获,而被推离光场.模拟结果与其他文献中报道的实验结果一致. 关键词： 光镊 俘获力 时域差分有限方法(FDTD) 动量守恒     

椭圆波束对非均匀手征分层粒子的俘获特性研究

非均匀手征分层粒子的俘获特性研究在化学工程、生物医药、光镊、微纳米加工等领域都有着重要的应用.为了有效地俘获及操控手征分层球形粒子,本文对椭圆高斯波束照射下手征分层球形粒子的辐射俘获力展开研究.从广义米理论出发,将入射椭圆高斯波束用矢量球谐函数展开,根据波束散射理论及电磁场动量守恒定理,得出椭圆高斯波束对手征分层球形粒子辐射俘获力的级数表达式,并对椭圆高斯波束入射分层手征细胞时的轴向及横向俘获力进行了数值模拟,讨论了手征参数、极化状态、束腰宽度、损耗以及最外层厚度对俘获情况的影响.研究表明:手征参数的引入会降低非均匀手征粒子的轴向俘获特性,但是选择合适的极化态入射时,可以有效地实现对非均匀手征粒子的稳定俘获.对于内层损耗小的手征多层球形粒子,当内层折射率大于最外层时,最外层厚度大的非均匀手征粒子在光轴上更容易俘获;反之内层折射率小于最外层时,最外层厚度小的粒子在光轴上有更强的束缚;同时与传统圆高斯波束相比,椭圆高斯波束的强会聚性更容易实现对非均匀手征分层细胞的三维俘获,具有良好的应用前景.     

激波诱导双层气柱演化的偏心效应研究

实验与数值研究了平面激波诱导下双层气柱的演化规律.利用肥皂膜技术生成了3种双层气柱,通过固定内、外层气柱半径,改变内层气柱在流向方向上的位置,研究了双层气柱偏心效应对流场演化的影响.结果表明,当内层气柱向上游偏移时,外层气柱的上游界面在后期会产生朝向上游的"射流";当内层气柱向下游偏移时,下游两道界面会较早地耦合在一起...     

理想同心介质球纳米喷流特性

利用有限时域差分方法,对核壳结构进行了模拟研究,得到内核折射率以及内核半径对聚焦光斑纳米喷流特性的影响。研究表明:在内核半径不变的情况下,当内核相对折射率较低时,入射光能量主要集中在内核与外壳层交界区域,此时光波能量有很大一部分处于非聚焦的旁瓣中;当内核折射率超过外层,可以在核壳结构背光面形成双增强点;在内核相对折射率不变的情况下,通过改变内核半径实现了对内、外核聚焦点位置的主动控制。     

在轴高斯波束入射无限长多层圆柱散射的德拜级数解

不均匀柱形粒子的光散射特性研究对复杂结构粒子参量的反演具有重要意义。基于德拜理论,对在轴高斯波束垂直入射无限长多层圆柱的散射特性进行了讨论。获得了散射系数的德拜级数展开式;并利用该公式分别计算了均匀和双层圆柱的总散射强度角分布,德拜级数单阶散射强度角分布;总散射强度结果与广义米氏理论(GLMT)进行了比较,两者吻合很好。分析表明圆柱散射强度不同散射角区间的值来自德拜级数不同阶的散射强度贡献;双层圆柱各层半径和折射率的值对德拜级数二阶散射强度角分布中峰值的出现起决定作用。当双层圆柱的外层较薄时,在120°~150°之间会出现两个明显峰值,即出现双重一阶彩虹峰值;反之,当外层厚度大于内层时,只有一个峰值存在。     

液体表面光场环状暗斑效应及折射率测量

实验发现透过液体介质的光场出现了一环状暗斑效应。进一步研究表明,该效应是由于光在液体介质表面发生全反射引起的,环状暗斑半径的大小与液体折射率和液体厚度有关,当液体折射率一定时,液体厚度越厚,暗斑半径越大;光液体厚度一定时,折射率越大,暗斑半径越小。进而建立了环状暗斑半径与液体折射率之间的关系,提出了一种测量液体折射率的新方法。     

带有相位拓朴数的环形相位板调控高斯光束的梯度力

 用基于德拜近似条件的矢量衍射理论研究了带有相位拓朴数的环形相位板调控高斯光束的光梯度力分布,改变相位板环形区的相对半径或当相位板的相位以一定拓扑数呈现拓扑变化时,可以调节光学系统焦点区域的光梯度力分布,形成各种非常有规则的几何形状的光陷阱,如当拓朴数分别取3,4,5,6时,可形成三角形、四边形、五边形和六边形光陷阱。此种相位板可用来构建可调的光镊系统,且通过调节相位板的各区域半径和拓扑数可以得到所希望的光陷阱。     

聚焦部分相干涡旋光束作用在介质球上的光阱力(英文)

应用部分相干理论推导了部分相干贝塞尔涡旋光束经过透镜聚焦后的光强分布表达式。在雷利散射范围内,利用光作用在介质球上的梯度力和散射力公式,主要讨论了拓扑荷数、相干长度、参数α以及介质球的大小选择对于梯度力和散射力的影响。数值模拟结果表明,作用在介质球上的梯度力和散射力随着拓扑荷数、相干长度或参数α的增大而减小。当拓扑荷数为0,1时,稳定的3维光阱能被获得,并且能被应用于操控折射率低于周围媒介的粒子。     

高斯波束对双层粒子的辐射俘获力

从广义米理论出发，将入射高斯波束用矢量球谐函数展开.根据对电磁场动量的讨论，得出了高斯波束对多层球形粒子的辐射俘获力的表示式，并就单高斯波束对在轴双层有吸收粒子受到的辐射俘获力进行了数值模拟，讨论了束腰半径、吸收系数、内外层相对厚度对俘获情况的影响. 关键词： 辐射俘获力 多层球形粒子 光镊 高斯波束     

吸收介质膜/金属空芯光纤的太赫兹波传输特性

介质/金属结构空芯光纤是一种有发展前景的太赫兹波传输媒质.介质膜在有效增加内面反射率从而降低传输损耗的同时,其材料吸收会引起附加损耗.讨论了介质材料吸收对太赫兹空芯光纤结构参数的影响.计算结果表明,相比于无吸收的理想介质,吸收介质的最优膜厚变小.最优折射率变大.综合考虑了光纤内直径、介质膜折射率和传输波长等因素,分析了介质膜的材料吸收容限.分析结果表明,吸收容限随光纤内直径减小或传输波长增大而减小.当光纤内直径很小或传输波长很大时,吸收容限可能不存在.分析结果对介质/金属太赫兹空芯光纤的设计和材料选择具有重要参考价值.     

激光对含偏心核球形粒子的辐射俘获力

利用偏心球形粒子对任意角度入射有形波束散射的理论,从广义米理论出发,根据电磁场的动量守恒及麦克斯韦张量,推导了任意入射波束对偏心球形粒子辐射俘获力的级数表达式,并以高斯波束为例,就离轴入射有吸收偏心球形粒子时的辐射俘获力进行了数值模拟,讨论了束腰半径、吸收系数、内核的相对大小及位置对俘获情况的影响. 关键词： 广义米理论 偏心球 辐射俘获力 光镊     

Radiation forces of highly focused Bessel–Gaussian beams on a dielectric sphere

The radiation force of highly focused Bessel–Gaussian beams (BGBs) on a dielectric sphere in the Rayleigh scattering regime is theoretically investigated. Numerical results demonstrate that the focused BGBs can be used to trap and manipulate the particles with the refractive index lower than that of the ambient. The radiation force caused by the low-order focused BGBs has been studied under different input parameters and different focus lengths of thin lens. The stability conditions of trapping the particles are also analyzed.     

基于介质环形柱结构的二维光子晶体中Dirac点的实现

利用偶然简并方法在二维正方格子介质环形柱结构光子晶体中成功实现了Dirac点, 并利用平面波展开法对实现Dirac点的过程进行了研究. 研究结果表明, 对于二维正方格子介质环形柱结构光子晶体, 在一定的外径R_O范围内(0.37a<R_O<0.5a), 当Dirac点存在时(n>1.4), 介质环内径R_I与外径R_O满足一个不随介质环折射率n变化的恒定关系式. 同时, Dirac点对应的光子约化频率f随折射率n及外径R_O的增大而减小. 利用所得的关系式对特定介质环折射率n条件下能实现Dirac点的环形光子晶体进行了预判设计.     

Theoretical comparison of optical traps created by standing wave and single beam

We used generalised Lorenz–Mie scattering theory (GLMT) to compare submicron-sized particle optical trapping in a single focused beam and a standing wave. We focus especially on the study of maximal axial trapping force, minimal laser power necessary for confinement, axial trap position, and axial trap stiffness in dependency on trapped sphere radius, refractive index, and Gaussian beam waist size. In the single beam trap (SBT), the range of refractive indices which enable stable trapping depends strongly on the beam waist size (it grows with decreasing waist). On the contrary to the SBT, there are certain sphere sizes (non-trapping radii) that disable sphere confinement in standing wave trap (SWT) for arbitrary value of refractive index. For other sphere radii we show that the SWT enables confinement of high refractive index particle in wider laser beams and provides axial trap stiffness and maximal axial trapping force at least by two orders and one order bigger than in SBT, respectively.     

基底微缺陷对介质薄膜光学性能影响的理论研究

基于非均匀膜理论提出一种存在微缺陷的介质基底的折射率分层模型，将基底依次分为表面层、亚表面层和体材料层，其中表面层和亚面层分别等效为折射率服从统计分布的非均匀膜，将它们分别再次细分为N₁和N₂个子层，每一子层均视为均匀介质 膜.应用光学薄膜特征矩阵法对其进行理论分析，并对单层介质膜的光学性能进行数值计算. 研究结果表明：基底的表面和亚表面微缺陷改变了薄膜和基底的等效折射率，导致了准Brew ster角和组合反射率与理想情形的偏离.同时这些微缺陷也改变了光在薄膜和基底中的传播 特性，因此反射相移和相位差均偏离理想情形.在研究基底的微缺陷对多层介质膜光学性能 影响的分析和计算时，该模型同样适用. 关键词： 微缺陷 介质薄膜 非均匀膜 光学性能     

高斯光束中吸收双层球形微粒的横向光俘获

为了研究吸收双层球形微粒的横向光俘获,基于几何光学模型提出了双层带吸收球形微粒的光俘获模型,对TEM₀₀模式高斯光束照射下外层有光吸收的双层电介质球形微粒受到的横向光俘获力进行了数值模拟,取得了光俘获力特性的一系列结果.结果显示,双层球形微粒的外层吸收系数对包括稳态俘获位置,峰值强度,稳态俘获的刚度等光俘获特性有很大影响.此外,内外径的比率对吸收双层球形微粒的光俘获特性也有调制性的影响.在一定条件下,带吸收的双层球形微粒可以被俘获在光轴上,也可能被俘获在中心在光轴上的圆环上. 关键词： 光俘获 几何光学模型 高斯光束 吸收双层球     

Photonic Jet by a Near‐Unity‐Refractive‐Index Sphere on a Dielectric Substrate with High Index Contrast

Photonic jets are normally generated in transmission mode and are represented as a spatially localized high‐intensity region on the shadow side of a particle‐lens, with a background to medium refractive index contrast of 1.3–1.7 while illuminated by a plane wave. Here, a photonic jet is discovered in the opposing plane wave propagation direction and lies in the area in the upper boundary of a near‐unity refractive index sphere on a high refractive index dielectric substrate. The redistribution of the power flow is inhibited during the reflected wave passing the near‐unity refractive index sphere. This has led to a unique effect on the focus position and shape of the produced photonic jet in reflection mode which can be maximally maintained near the sphere regardless of the modulation of the refractive index for the dielectric substrate material.