贝塞尔光束中瑞利粒子所受横向力的参数理论分析

基于电磁模型,数值计算了瑞利粒子在贝塞尔光束中所受横向光阱力,给出了粒子所受横向力与粒子的半径、折射率和波长的关系。结果表明,与高斯光束形成的光阱相比,贝塞尔光束既能捕获高折射率粒子也能捕获低折射率粒子,并且有多个平衡位置,因此应用更为广泛。     

基于低损光学相变和超透镜的可控多阱光镊

为提升光镊在三维空间中对粒子的捕获性能,本文设计和分析了新型的双阱和多阱超透镜光镊方案.首先基于低损耗相变材料Sb₂S₃设计了可控超透镜双阱光镊,并对两个半径为250 mm的SiO₂粒子所受光力进行了矢量横向分析和轴向分析.仿真实验结果表明,当Sb₂S₃在晶态下时,超透镜捕获的两个粒子的横向光阱刚度k_x分别达到了约25.7 pN/(μm·W)和37.4 pN/(μm·W),轴向光阱刚度k_z均约为10.0 pN/(μm·W);而当Sb₂S₃在非晶态下时,k_x和k_z值均降低到其对应晶态下的1/10,且此时粒子在z方向上不能被稳定捕获,从而实现了在三维空间中对粒子的可控捕获.进一步本文给出了阵列式的可控多阱光镊.通过调控相变材料Sb₂S₃的晶态和非晶态,能形成不同组合粒子的三维捕获方案.这些新型可控光镊可实现多...     

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     

激光应用 激光生物学

Q6312006010205光镊光阱力计算方法的研究=Study on calculation of opti-cal trapping force on particle from optical tweezers[刊,中]/龙海峰(燕山大学仪器科学与工程系.河北,秦皇岛(066004)),史锦珊∥光电子技术与信息.—2005,18(4).—14-17介绍了一种光镊光阱力的计算方法,并对微粒在已知参数条件下所受的光阱力进行了仿真,深入分析了光阱力和与之相关的光束束腰半径、相对折射率、激光功率等系统参数的关系,对不同参数条件下的光阱力进行了讨论,从而验证了系统参数对光阱力的重要影响,此外还对电磁学模型的光阱力计算进行了阐述。图…     

通过圆孔衍射实现冷分子(或冷原子)囚禁的光学偶极阱

以单色标量波衍射理论为基础,研究单色平面波由圆孔衍射产生实现冷分子(或冷原子)光学囚禁的光阱。运用圆孔衍射理论分析讨论了光学偶极阱的光强分布、光学势及偶极力,并导出了有关光阱的几何参量、光强分布、强度梯度及其曲率与光学系统参量(如照明光波的波长、小孔的孔径)间的解析关系。研究表明,当激光功率与波长分别为P=500 W和λ=1.08μm,小孔半径a=20μm时,产生囚禁甲烷CH4分子的光阱光学势约为57.9μK。通过圆孔衍射可实现冷分子或冷原子囚禁,该方案不仅简单可行、操作方便,而且在冷分子物理、原子光学、分子光学和量子光学等领域中有着广阔的应用前景。     

大气气溶胶粒子数密度谱和折射率虚部的测量

介绍一种综合利用光学粒子计数器和能见度仪测量大气气溶胶折射率虚部的新方法。首先，使用光学粒子计数器测量出大气气溶胶粒子的数密度谱(待订正)，用能见度仪同步测量出水平能见度。然后，根据球形粒子的米氏(Mie)散射理论，通过分析气溶胶粒子的折射率虚部、分档半径、粒子数密度谱、消光系数和能见度之间的关系，对分档半径进行订正，得到折射率虚部和能见度之间的对应关系。结合同步测量的能见度，反演出大气气溶胶粒子的折射率虚部。最后，利用折射率虚部对光学粒子计数器数据进行订正，得到大气气溶胶粒子的数密度谱。     

功率谱密度法标定光镊的三维光阱刚度

采用四象限探测器和功率谱密度法,搭建了一套快速标定光镊三维光阱刚度的测量系统.实验中,用四象限探测器记录微粒做受限布朗运动时的位置信息,用功率谱密度法标定光阱刚度,测得了直径0.97μm SiO2小球和直径1μm PMMA小球的光阱刚度与激光功率的关系.结果表明:对于SiO2小球,当激光功率为50~120mW时,光阱刚度与激光功率成正比;对于PMMA小球,当激光功率为80~130mW时,光阱刚度与激光功率成正比.该光镊系统可用于生物、物理等微观领域研究的高准确度测力系统.     

利用冰水同心球模型反演冰水混合云

将云看作由众多冰水同心球粒子所构成,建立冰水同心球模型。模拟冰水混合云,计算可见光(0.66μm)和近红外波段(1.64μm和2.14μm)的反射函数和光学厚度,建立查找表。选取MODIS卫星数据中1通道、6通道和7通道数据,用最小方差拟合法反演光学厚度、有效粒子半径,和MOD06数据中的光厚度和有效粒子半径对比结果较一致,实验结果表明提出的冰水混合云的反演方法具有合理性。     

铁电单晶0.62Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.38PbTiO3折射率的研究

用最小偏向角法在20℃下精确测量了0.62Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.38PbTiO3(0.62PMN-0.38PT)单晶的折射率,给出了该温度下折射率色散的Sellmeier方程.研究了能带结构与折射率的关系,计算了样品的Sellmeier光学系数:对no,E0=5.50eV,λ0=0.226μm,S0=1.004×1014m-2,Ed=28.10eV;对ne,E0=5.57eV,λ0=0.223μm,S0=1.017×1014m-2,Ed=28.10eV.ABO3型钙钛矿材料中,BO6八面体基元决定了晶体的能带结构,对折射率产生重要影响.     

基于反射太阳光反演气溶胶光学厚度和有效半径

根据太阳光的极化特性,提出了一种利用单波长太阳光遥感反演球形水凝物气溶胶光学厚度和有效半径的方法.根据矢量辐射传输理论,利用累加法,计算了λ=0.75μm(可见光)和3.3μm(近红外)两种波长太阳光入射时气溶胶的反射矩阵.气溶胶的有效半径为0.01—1.5μm,光学厚度为0.05—1.利用计算机模拟了反演过程,结果表明,当粒子的有效半径小于0.4μm时可以利用可见光波段进行反演;当粒子有效半径大于1.0μm时可以利用近红外波段反演;在0.4—1.0μm之间,利用这两个波段均可以得到精确性很 关键词： 光学厚度 有效半径 极化 反演     

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.     

双散射角光学粒子计数器测量气溶胶折射率的新方法研究

根据米氏(Mie)散射理论,通过数值模拟分析了气溶胶折射率虚部n_i在不同散射角度上对双散射角激光光学粒子计数器(L-OPC)响应曲线的影响,定义了敏感函数。根据分析,散射角应该在小于20°和40°～60°之间选取。以散射角系统ψ=9°,β=5°,λ=0．65μm和ψ=50°,β=20°,λ=0．65μm为例,其中一个散射角受折射率虚部n_i的影响较小,另一个较大。在测量粒子谱分布的同时,利用n_i对不同散射角度响应曲线的影响差异,来确定n_i值,并提出确定n_i的方法。还给出了双散射角激光光学粒子计数器的模拟测量结果。     

Refractive indices of (AlAs)(GaAs) short-period superlattices

The refractive indices of short-period binary (AlAs)_m(GaAs)_n superlattices, wherem = n, were investigated by measuring the beam divergences of optical waveguides using these superlattices as the core material. It is demonstrated that the refractive index depends on the period of the superlattice and not simply on the average composition. The refractive index is shown to depend in a systematic way on the direct bandgap of the superlattice, although the relationship may not be quite the same as that for a random alloy.     

Refractive index sensor using microfiber-based Mach-Zehnder interferometer

A simple and robust refractive index (RI) sensor based on a Mach-Zehnder interferometer has been demonstrated. A section of optical microfiber drawn from silica fiber is employed as the sensing arm. Because of the evanescent field, a slight change of the ambient RI will lead to the variation of the microfiber propagation constant, which will further change the optical length. In order to compensate the variation of the optical length difference, a tunable optical delay line (ODL) is inserted into the other arm. By measuring the delay of the ODL, the ambient RI can be simply demodulated. A high RI sensitivity of about 7159 μm/refractive index unit is achieved at microfiber diameter of 2.0 μm.     

超细低水峰抗弯损光纤的设计及制作

采用全合成预制棒制造法（VAD＋OVD）和改进的G.652.D光纤拉制法制造光纤.研究了工艺中光纤芯径的大小、第一包层的厚度、芯包折射率差、芯包比等参量与光纤弯曲性能的关系,并据此制作了几种超细低水峰抗弯损光纤.该光纤的裸光纤直径约80 μm,涂覆后成品光纤直径约140 μm,当弯曲半径不小于7.5 mm时,能够在1 260～1 625 nm整个波段内满足DWMD的传输要求.     

高掺镁LiNbO3晶体折射率温度系数的表示式

推导了掺５ｍｏｌ％ＭｇＯ的ＬｉＮｂＯ３晶体折射率温度系数的表示式。利用这些表示式可以计算２９３～４２８Ｋ温度和０．５３９８μｍ～１．３４１４μｍ波长范围内的折射率温度系度，结果表明：计算值和实验值的最大相对偏差是１２％，用具有最大相对偏差的折射率温度系数的计算值，计算１．０７９５μｍ波长的非临界相位匹配温度，其值为３８２．４Ｋ，它与实验值仅差６Ｋ。因此，本文得到的表示式，对于采用这种晶体，设计在上     

Optical microfiber mode interferometer for temperature-independent refractometric sensing

We report on a functional optical microfiber mode interferometer and its applications for absolute, temperature-insensitive refractive index sensing. A standard optical fiber was tapered down to 10 μm. The central part of the taper, i.e., the microfiber, is connected to the untapered regions with two identical abrupt transitions. The transmission spectrum of our device exhibited a sinusoidal pattern due to the beating between modes. In our interferometer the period of the pattern-an absolute parameter-depends strongly on the surrounding refractive index but it is insensitive to temperature changes. The period, hence the external index, can be accurately measured by taking the fast Fourier transform (FFT) of the detected interference pattern. The measuring refractive index range of the device here proposed goes from 1.33 to 1.428 and the maximum resolution is on the order of 3.7×10(-6).     

Optical refractometry based on Fresnel diffraction from a phase wedge

A method that utilizes the Fresnel diffraction of light from the phase step formed by a transparent wedge is introduced for measuring the refractive indices of transparent solids, liquids, and solutions. It is shown that, as a transparent wedge of small apex angle is illuminated perpendicular to its surface by a monochromatic parallel beam of light, the Fresnel fringes, caused by abrupt change in refractive index at the wedge lateral boundary, are formed on a screen held perpendicular to the beam propagation direction. The visibility of the fringes varies periodically between zero and 1 in the direction normal to the wedge apex. For a known or measured apex angle, the wedge refractive index is obtained by measuring the period length by a CCD. To measure the refractive index of a transparent liquid or solution, the wedge is installed in a transparent rectangle cell containing the sample. Then, the cell is illuminated perpendicularly and the visibility period is measured. By using modest optics, one can measure the refractive index at a relative uncertainty level of 10(-5). There is no limitation on the refractive index range. The method can be applied easily with no mechanical manipulation. The measuring apparatus can be very compact with low mechanical and optical noises.     

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。