时域有限差分法数值仿真单光镊中微球受到的光阱力

本文采用三维时域有限差分法(FDTD)和Maxwell应力张量法建立了单光镊在焦点附近俘获球形微粒的光阱力模型,采用基于球矢量波函数(VSWF)的五阶高斯光源作为仿真光源,得到了准确的光场传播.讨论了光源的波长、束腰、偏振态和微球的半径、折射率对光阱力的影响,分析了在单光镊俘获微球时,邻近微球对光阱力的影响.特别研究了光源的偏振态对微球所受光阱力的作用效果,仿真结果表明圆偏振光比线偏振光对微球的俘获力更大;被光镊稳定俘获的微球,会受到邻近微球干扰,失去平衡状态,改变光源的偏振态可以改变微球的受力状态. 关键词： 光镊 光阱力 介质微球 时域有限差分法(FDTD)     

光纤探针型近场光镊光阱力特性研究

基于动量守恒原理,结合麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法,建立了近场空间内激光光镊对纳米微粒的光阱力计算模型.分析了光纤探针型近场光镊的近场分布以及操作纳米微粒时各轴向光阱力的分布情况,并探讨了光纤探针尖端的捕获尺寸、捕获位置和操作稳定性.结果表明:微粒应处于光纤探针针尖的近场空间内才可实现稳定可靠的纳米操作,不同尺寸的微粒具有不同的捕获效果,且随初始位置的不同微粒的捕获位置亦不同.计算结果为激光近场光镊纳米操作装置的设计和制造提供了理论基础.     

介质微粒的光捕陷,光悬浮和光操纵

本文全面综述了二十余年介质微粒光捕陷、光悬浮和光操纵研究的发展，介绍了光阱的基本原理和基本技术，并描绘了在不同媒质中捕陷不同介质微粒的各种光阱的变体以及它们在物理学基础研究、计量科学、生命科学、化学及技术领域等方面的应用前景。     

光纤探针型近场光镊光阱力特性研究

基于动量守恒原理,结合麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法,建立了近场空间内激光光镊对纳米微粒的光阱力计算模型.分析了光纤探针型近场光镊的近场分布以及操作纳米微粒时各轴向光阱力的分布情况,并探讨了光纤探针尖端的捕获尺寸、捕获位置和操作稳定性.结果表明:微粒应处于光纤探针针尖的近场空间内才可实现稳定可靠的纳米操作,不同...     

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。     

静磁表面波对高斯光脉冲的衍射特性研究

研究了磁光薄膜波导中线性啁啾高斯光脉冲与单频连续静磁波共线作用,给出了水平磁化时基于静磁表面波的磁光耦合方程.分别采用解析法和数值法计算了1310 nm和1550 nm两种光波长入射时衍射光的压缩特性,两种求解方法得到的结果一致.计算表明,衍射光脉冲的半峰全宽(FWHM)随相位失配因子的频率变化率和啁啾系数的增大而减小;在给定的计算参数下,与1310 nm波长对应的衍射光脉冲具有较大的峰值强度,但1550 nm波长输入时可以获得更窄的衍射光脉冲,因而1550 nm光脉冲更适于作为磁光脉冲压缩的脉冲源.文章还分析了磁损耗对衍射光脉冲的光强和输出脉宽的影响,对于普通的磁光薄膜,损耗基本上不影响光脉冲压缩效果.     

轴向多光阱微粒捕获与实时直接观测技术

传统的光镊技术使用单个物镜同时进行光学捕获与显微成像,使得捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,无法同时观察到沿光轴方向(即Z向)捕获的多个微粒.本文提出一种轴平面(XZ平面)GerchbergSaxton迭代算法来产生沿轴向分布的多光阱阵列,将轴平面成像技术与光镊结合,实现了沿轴向对二氧化硅微球的多光阱同时捕获与实时观测.通过视频分析法测量了多个二氧化硅微球在轴向光镊阵列中的布朗运动,并标定了光阱刚度.本文提出的轴向多光阱微粒捕获与实时观测技术为光学微操纵提供了一个新的观测视角和操纵方法,为生物医学、物理学等相关领域研究提供了一种新的技术手段.     

飞秒光镊技术及其发展

激光捕获技术是利用光辐射力来捕捉、移动和操纵微粒的先进技术。飞秒光镊在实现粒子微纳操纵的同时还伴随着非线性现象的发生。阐述了飞秒光镊的模型和原理以及系统的各种结构形式,包括单光束梯度力光阱、贝塞耳光阱、双光束光纤光阱和冲击波光阱几种形式,并分析了每种形式的特点。     

两种单光纤光镊捕获效果的数值仿真与实验研究

采用一种基于时域有限差分(FDTD)的数值算法,仿真计算了抛物线形和大锥角形两种新型单光纤光镊的出射光场,并在稳态场下通过对麦克斯韦应力张量积分求得介质球在两种光场中受到的光阱力,得到大锥角型光纤端产生的光阱力较大的结论;讨论了不同介质球大小、折射率,光纤探针形状对光阱力的影响.在实验中这两种光纤探针都实现了对水中酵母菌细胞的捕获,且采用流体力学法对抛物线形和大锥角形二种新型单光纤光镊产生的光阱力进行了标定.结果表明:基于FDTD数值仿真方法计算受力与实验结果一致,并且这种计算光纤光镊产生的光阱力的方法简单.适用;且抛物线形和大锥角形光纤探头都具备构成单光纤光镊的条件.     

采用超连续谱激光的双光束光纤光阱实验

以超连续谱激光器作为捕获光源,首次提出并搭建了超连续谱双光束光纤光阱实验系统,实现了聚苯乙烯微球的捕获和操控。通过改变光纤端面间隔和调整捕获光功率的方式精确控制微球的位置,采用CCD图像分析方法实现了微球位置的精确测量。对微球受限布朗运动下的位置变化进行傅里叶变换,计算得到功率谱,与理论功率谱函数拟合后求出了其光阱刚度。结果表明,捕获光束的功率为28 mW时,光阱刚度达到1.3×10-6N/m,高于相同实验条件下单波长光纤光阱的刚度。与传统采用单色光作为捕获光源的光镊系统不同,超连续谱双光束光阱系统利用其宽谱优势,通过研究被捕获微粒的散射光谱信息可获取其尺寸、折射率等物理特征参数。     

介质微粒的光捕陷、光悬浮和光操纵

本文全面综述了二十余年介质微粒光捕陷、光悬浮和光操纵研究的发展,介绍了光阱的基本原理和基本技术,并描绘了在不同媒质中捕陷不同介质微粒的各种光阱的变体以及它们在物理学基础研究、计量科学、生命科学、化学及技术领域等方面的应用前景。     

用空间光调制器产生三维光阱阵列

本文提出了用液晶空间光调制器制作复合相位光栅、产生三维光阱阵列的新方案．在本方案中,首先将一维矩形光栅转变为能够产生纵向光阱阵列的环形光栅,再把环形光栅和二维矩形光栅组合成复合光栅．根据现有空间光调制器的技术参数,模拟仿真设计了产生5×5×5光阱阵列的光栅,以普通功率的高斯光波为输入光,正透镜聚焦衍射光,计算输出光强分布,结果表明：在透镜焦点附近获得具有很高峰值光强和光强梯度的三维光阱阵列,囚禁冷原子的光学偶极势达到mK量级,对原子的作用力远大于原子的重力．用大功率激光作为输入光波时,产生的光阱阵列也能用于囚禁Stark减速后的冷分子．     

非聚焦条件下CS2介质中受激布里渊散射光限幅特性的研究

采用布里渊噪声起源模型,数值研究了非聚焦条件下CS2液体介质中脉冲传输的能量与功率特性.结果表明,在非聚焦条件下,透射光的功率波形仍然表现出光限幅特性,而透射能量随入射能量线性变化,不具有限幅特性,这一点与聚焦条件下的结果不同.以波长1053 nm、脉宽20 ns的Nd:YLF激光器为光源,采用3∶1的缩束系统,通过衰减片调整入射光能量在2 mJ-92 mJ变化,获得了透射光能量和功率波形随入射能量变化的规律,并与聚焦条件下的结果进行了比较.实验结果与理论模拟相符合.由于聚焦条件下当入射能量较高时容易出现介质光学击穿,所以采用缩束结构的功率限幅更适用于高功率大能量的情况.     

光镊力影响因素的计算分析

运用基于T矩阵算法的开源光镊计算工具包对可能影响光镊力的微粒尺寸、相对折射率以及光束模式进行了研究,计算结果表明,这三方面因素都会对光镊力产生显著影响,微粒直径与波长相等、相对折射率尽可能大时选择恰当的光束模式能够产生最佳的光镊捕获效果.     

基于自回归模型的光阱中粒子运动模拟

通过分析光阱中颗粒位移信号特性, 建立描述粒子受限布朗运动过程的自回归模型, 进而提出了一种基于自回归模型的光阱中颗粒运动信号模拟的新方法. 对半径为1 μm的粒子处于光阱刚度分别为10, 20, 50 pN/μm 光阱时的位移信号进行了模拟, 得到的模拟位移信号的自相关函数与理论值相一致. 为了进一步阐明自回归模型的有效性, 在相同光阱参数下, 分别采用自回归模型与蒙特卡罗方法模拟光阱中微粒的位移信号, 采用功率谱法分别对两种模拟方法所得的微粒位移标定光阱刚度, 结果表明自回归模型方法能够取得和蒙特卡洛法相同的精度. 因此, 本文为分析光阱中粒子的随机运动提出了一种新的模拟方法, 可以用来对光阱中的噪声及特性进行分析. 关键词： 光阱 布朗运动 信号模拟 自回归模型     

重频激光对多壁碳纳米管悬浮液光限幅特性的影响研究

在激光以不同重复频率入射下,研究了直径分布为10～20 nm的多壁碳纳米管悬浮液对波长为1064 nm激光的光限幅效应,定性分析了不同重复频率激光对多壁碳纳米管悬浮液的光限幅影响。结果表明:碳纳米管悬浮液对波长为532 nm和1064 nm的激光都具有很强的光限幅响应;在多脉冲激光入射时,碳纳米管悬浮液的光限幅效应比单脉冲激光入射时更显著。     

时间飞行法测量光阱刚度的实验研究

传统的测量光阱刚度的方法如功率谱法是基于微粒的布朗运动,适用于直径范围几百纳米到几微米的微球,在几微米以上并不具有明显优势．本文发展一种时间飞行的方法测量光阱对微球的刚度．该方法是基于跟踪微粒的运动轨迹获得光阱刚度．通过比较不同功率下,不同大小以及不同材料的微球的光阱刚度和误差,结果表明时间飞行法适用于直径范围5—10μm的微球;论文中用功率谱法和均方位移法测量了5μm标准聚苯乙烯小球的光阱刚度与时间飞行法测得的结果作为对比,由于受相机采集速率的影响,所测刚度值比理想值偏高,比较而言,时间飞行法的测量结果更加接近于真实值,对于光阱刚度的快速标定有着重要意义．该方法可以应用在特殊光场分布的激光阱中测量微球的光阱刚度;在实现细胞层次的力学特性测量中它可避免使用微球作为探针,为更深层次研究细胞上的复杂单分子过程提供了一个研究手段．     

余弦平方高斯光束通过无光栏透镜的梯度力

基于Collins公式推导了余弦平方高斯光束通过无光栏透镜光学系统聚焦后的光强分布及梯度力,采用数值模拟分析梯度力分布及光阱的数量、位置及尺度随光束参数、光束入射距离及系统菲涅耳数的变化。结果表明:光束相关参数b越大光阱的数量越多,光阱的位置随光束入射距离而改变,大小随系统菲涅耳数的增加而减小,但不影响其位置。     

抽运光参数对受激布里渊散射的影响

受激布里渊散射（SBS）系统中,具有一定带宽的抽运激光中会含有一定比例的Stokes散射光成分，此Stokes散射光成分经SBS介质后表面反射后，将形成种子光与抽运光联合入射，构成自种子光式SBS放大器.通过数值求解此SBS放大器型耦合波方程组，探讨了抽运光脉冲中所含Stokes散射光成分的比例、抽运激光波长、抽运光能量大小、入射的聚焦高斯光脉冲脉宽、相互作用时间等激光参数对SBS特征参数（Stokes散射光脉冲波形、材料内部最大应力的时间演化及空间分布、脉宽压缩效果、能量提取效率及Stokes散射光的共轭保真度）的影响.同时发现，SBS过程中产生的超声应力不仅会对SBS介质前表面造成破坏，还可能对焦点附近造成破坏；调整各激光参数还会使焦点附近优于前表面先破坏.数值模拟中采用的抽运光是聚焦高斯光束. 关键词： 受激布里渊散射 斯托克斯散射光 冲击应力 能量反射率     

光纤光栅可调谐半导体单模超短光脉冲的研究

本文利用光纤光栅形成外腔反馈,得到量子阱半导体激光二极管单模超短光脉冲.其光谱线宽约为0.4nm,脉冲宽度约为60ps.并利用调谐装置,改变光纤光栅的反射波长,得到不同波长的超短光脉冲,其波长可长期稳定.