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...     

三角形金属纳米粒子的光力特性研究

基于麦克斯韦应力张量理论,对多边形金纳米粒子在聚焦场下的光力特性进行了研究。以三角形金纳米粒子为例,从粒子在聚集场中的受力情况出发,分别研究了具有圆对称能量分布的聚焦场和具有三角形能量分布的聚焦场对三角形金纳米粒子的捕获特性。研究结果表明,当使用圆对称聚焦场时,可对边长为50～350 nm的三角形金纳米粒子实现稳定捕获;当使用三角形聚焦场时,在粒子以和聚焦场形状匹配的角度进入聚焦场的情况下,可对边长为100～350 nm的三角形金纳米粒子实现稳定捕获。将圆对称聚焦场和三角形聚焦场对三角形金纳米粒子的捕获特性进行比较,发现三角形聚焦场在x方向的捕获力要强于圆对称聚焦场;而在y方向,三角形聚焦场对粒子的捕获范围要大于圆对称聚焦场。该工作研究了三角形的金属纳米粒子在不同形状聚焦场下的光力捕获特性,为基于非球形金属粒子的光学操纵在拉曼光谱超分辨成像、粒子微加工等领域的应用奠定了理论基础。     

不同偏振态光镊三维光阱刚度的比较研究

为了研究激光偏振态对光阱刚度的影响,本文比较了四种不同偏振态光场(方位角偏振光、径向偏振光、线偏振光、圆偏振光)捕获不同尺寸SiO_2微粒的三维光阱刚度.研究结果表明:当SiO_2微粒的尺寸和激光波长相近时,圆偏振光和线偏振光的三维光阱刚度大于径向偏振光和方位角偏振光的三维光阱刚度;而随着SiO_2微粒尺寸的增加,方位角偏振光和径向偏振光的三维光阱刚度大于圆偏振光和线偏振光的三维光阱刚度.此外,实验也表明:使用浸油物镜捕获微粒时,物镜匹配油的折射率和水的折射率不一致引起的球差,会降低系统对物镜数值孔径的利用.通过这些研究工作,可以为不同偏振态光场的测力研究提供一定的指导和参考.     

实现圆偏振光非对称传输的完全光子禁带光波导异质结构的设计

从理论上提出了一种可以实现圆偏振光波非对称传输的器件设计。该器件是由锗、硅以及空气孔洞构成的具有完全光子禁带的二维光子晶体异质结构。本研究通过在光子晶体中引入线缺陷,构成能够实现高正向透射的光波导结构,同时设计可将光波发散的微腔结构并结合全反射原理抑制反向入射光,实现圆偏振光非对称传输,最终实现了圆偏振光在光通信波段(1550 nm)附近的高正向透射率(可达0.726)的非对称传输。圆偏振是具有固定相位差(π/2)的任意正交线偏振光的线性叠加,本研究设计的结构同时可以实现任意线偏振光的非对称传输,因此具有广泛的应用前景,其应用领域包括量子通信、信息处理、集成光学。     

采用强聚焦光学系统实现原子操控的一种方案

采用光学手段操控原子是研究原子之间纠缠、控制其相互作用的重要途径,也是量子信息研究中的重要课题.本文基于目前的实验系统,提出了利用由三组驻波场组成的强聚焦光学系统产生间距可控的光学晶格,并在此基础上实现多光学偶极阱的一种方案.我们系统地讨论了两驻波场与第三驻波场的夹角和相对位相对光学阱分布的影响,指出在此基础上可以在一定程度上通过微光学阱实现单个原子的操控并实现偶极阱间距的可控调节.该结果对研究光学晶格中的BEC之间的作用、原子干涉以及原子之间偶极一偶极作用等具有重要意义.     

近场光镊技术研究新进展

光镊技术,又称光学捕获技术,它是利用光的辐射压力来捕获和操纵包括电介质颗粒、生物细胞及生物大分子在内的微小粒子的。近场光镊技术利用近场光学倏逝场随距离急剧衰减的特征,可显著地降低捕获粒子的尺寸,实现纳米捕获。追踪了近场光镊技术的最新进展,包括全内反射相干倏逝场、近场光学镀膜光纤探针尖、激光照明金属探针尖和聚焦倏逝场用于近场光学捕获,并对其进行了比较,分析了它们存在的主要问题和未来发展方向。     

基于电子自旋弛豫全光开关中的瞬态特性

设计了基于电子自旋弛豫的透射式全光开关模犁.该光开关具有开关时间短、结构简单,光学非线性强等特点.研究在右旋圆偏振光抽运下 GaAs/AlGaAs半导体多量子阱(MQWs)中以相空间填充(PSF)和库仑屏蔽(CS)为主要因素导致的激子吸收饱和行为,计算与抽运光同向(探测光与抽运光的圆偏振方向相同)和反向(探测光与抽运光的圆偏振方向相反)的圆偏振探测光吸收系数的变化,得到两种圆偏振光差分透射率改变量随延迟时间的变化.实验采用飞秒抽运-探测技术,获得了室温下GaAs/AlGaAs多量子阱同向圆偏振探测光的透射曲线,观察到了明显的饱和吸收现象,与数值模拟的结果相符.     

幂指数相位涡旋光束用于微粒操控

实验验证了一种利用幂指数相位涡旋光束(PEPV)操控微粒的方法。该方法基于幂指数相位涡旋光束理论,产生不同拓扑荷数与方位角幂指数大于1的涡旋光场的相位全息图,并将该全息片经计算机输入到空间光调制器(SLM)上用于调制入射激光光束。利用透镜对被调制光束进行傅里叶变换,利用光阑在频域对衍射光斑进行筛选和过滤,并利用倒置高倍光学显微镜将光束成像于载物台样品上。利用该幂指数相位涡旋光束对微米级粒子实现了定向光学输运。研究结果表明,该光束在粒子的定向输送与收集方面有独特的功能,将进一步拓展光学涡旋光束的实际应用范围。     

完美涡旋光中微米级粒子的受力与力矩特性分析

基于紧聚焦方法在几何焦平面处获得了完美涡旋光场,理论分析了该光场中微米级尺寸微粒受到的光学力与轨道矩。结果表明,该完美涡旋光可以在横平面上捕获微粒并驱动其绕光轴做轨道旋转运动,微粒受到的轨道矩随着拓扑荷的增大先增大后趋近于稳定。此外,分析了圆偏振、径向偏振和方位角偏振完美涡旋光对微粒施加的光学力和轨道矩。结果表明完美涡旋光的偏振态在一定程度上会影响微粒的轨道运动,圆偏振完美涡旋光更适合用于诱导微粒轨道旋转。     

一种实现冷分子囚禁的可控制静电双阱方案

提出了采用双环形载荷导线和两透明电极系统实现冷分子静电囚禁的可控制静电双阱的新方案,计算了带电圆导线和带电板所产生的静电场分布,从几个方面分析了这个囚禁方案的优点. 提出了一种有效的冷分子装载方法,并研究了双阱到单阱的演化过程. 研究表明,该可控制静电双阱方案不仅方便装载与操控弱场搜寻态的极性冷分子,而且在分子物质波的干涉、纠缠、冷碰撞,甚至进行双阱分子BEC研究等分子光学领域中有着广阔的应用前景. 关键词： 极性冷分子 静电囚禁 可控制静电双阱 分子光学     

群体粒子场圆偏入射光侧向散射的角分布实验研究(英文)

对圆偏振光入射到群体粒子场时侧向散射光随角度分布的特性进行了实验研究,散射介质为直径0.065μm和1.24μm的粒子与过滤的蒸馏水所构成的不同浓度的悬浮液。实验结果表明,粒子侧向散射光的各种成分在探测平面内相对散射角度始终呈现对称分布的规律,而随着粒子尺寸、浓度、探测深度的变化,散射光强也相应出现变化,但变化不明显。     

高精细度光学微腔中原子的偶极俘获

利用梯度光场产生的光学偶极力对原子的作用是实现原子俘获的重要途径.分析高精细 度光学微腔中的偶极阱，讨论了由腔内驻波场、侧向和横向约束光构成光学势阱的特性，说 明在高精细度光学微腔中可以产生尺度为亚微米，阱深为mK量级的纯光学阱，并获得单原子 与光场的强耦合作用.还讨论了激光线宽对微腔中偶极阱阱深的影响. 关键词： 光学微腔 偶极俘获 单原子     

双层花状光学涡旋晶格产生及特性研究

利用束腰半径不同的奇模和偶模因斯高斯光束同轴叠加，产生了一种双层花状光学涡旋晶格，通过实验与数值模拟对所提出的双层花状光学涡旋晶格进行分析研究。结果表明：由束腰半径不同的奇模和偶模因斯高斯光束叠加而成的光学涡旋晶格中的涡旋呈单层或双层分布，且不同层涡旋点的拓扑荷值大小相等，符号相反；当奇偶模因斯高斯光束之间的束腰半径差距逐渐减小，涡旋分布由双层变为单层；此外，可以通过改变奇偶模因斯高斯光束之间的相位差，实现涡旋符号的调控。该研究结果极大地丰富了光学涡旋晶格的空间模式分布，在微粒操纵领域有着潜在应用。     

一种新颖的表面空心微光阱阵列

提出了采用四台阶相位光栅与微透镜阵列组合产生一种新颖的表面空心微光阱阵列的方案，研究了表面空心微光阱阵列的光强分布，计算了相应的光学囚禁势，并讨论了该微光阱阵列在原子分子光学中的潜在应用.研究表明当用1W的YAG激光照射时，在1cm²面积上可产生近10⁴个空心光阱，每个光阱具有较小的囚禁体积和较大的有效光强及其强度梯度，对⁸⁵Rb原子的光学囚禁势可达190μK.如此深的光阱足以囚禁冷原子或冷分子，并可用于实现全光型原子或分子玻色-爱因斯坦凝聚，甚至制备新颖的光学晶格等. 关键词： 空心光阱 冷原子或冷分子 光学晶格     

紧聚焦角向偏振分数阶涡旋光诱导磁化场特性

基于理查德-沃尔夫矢量衍射理论和逆法拉第效应, 首次推导出紧聚焦角向偏振分数阶涡旋光诱导磁化场表达式, 分析出角向偏振分数阶涡旋光诱导磁化场可近似等效为有限个相邻整数阶涡旋角向偏振光诱导磁化场与其交叉诱导磁化场的加权叠加. 数值模拟了紧聚焦条件下不同分数阶涡旋角向偏振光诱导磁化场的分布特性. 模拟结果表明角向偏振分数阶涡旋光诱导磁化场呈非对称分布. 当取分数阶涡旋拓扑荷α∈ [0.5, 1.5]时, 随着涡旋拓扑荷的增加, 磁化场横向平面分布出现分裂现象, 同时还引起磁斑垂直于光轴方向的自移效应. 当α = 0.5 或 1.5 时, 磁斑中心最大偏移量达0.24λ; 当分数阶涡旋拓扑荷α∈ (2, 3]时, 磁化场横向平面分布分裂出 2 个强度热点, 强度分布环径逐渐变大. 当分数阶涡旋拓扑荷趋于α = 3整数时, 磁化横向平面分布也趋于圆对称性分布. 特别有趣的是, 当分数阶涡旋拓扑荷取半整数, 尤其大于 3 时, 磁化场强度热点数与其包围的暗点数均与涡旋阶数存在正相关关系, 其中热点数为α - 0.5, 暗点数为α - 1.5. 这些研究结果将可应用于全光磁记录和磁性粒子的捕获与操控等.     

基于纯相位液晶空间光调制器的全息光学捕获与微操纵

在经典Gerchberg-Saxton(GS)算法的基础上,提出一种改进的快速三维GS算法获取目标场的全息图(CGH)并用于全息光镊系统中,从理论和实验上充分证明了该算法的快速性和有效性。实验搭建了一套基于纯相位液晶空间光调制器(SLM)的全息光镊系统,实现了对酵母菌细胞和二氧化硅小球等微粒的多光阱、多平面三维稳定捕获和动态操纵。实验上还产生了具有强度梯度的线状光阱和光学涡旋光阱,实现了对微粒的运输和旋转操纵。这种可以对微粒实现多光阱、多平面动态三维操纵的全息光镊系统为生物、胶体物理等研究提供了一种新的微操纵工具。     

荧光法测定半导体禁带宽度

光学带隙或禁带宽度是半导体材料的一个重要特征参数.本文以3个具有代表性的InGaN/GaN多量子阱结构作为研究对象,深入探讨了荧光法测定某个目标温度下InGaN阱层的光学带隙所需要满足的测试条件.由于InGaN阱层是一种多元合金且受到来自GaN垒层的应力作用,所以该阱层中不仅存在着杂质/缺陷相关的非辐射中心,也存在着组分起伏诱发的局域势起伏以及极化场诱发的量子限制斯塔克效应.因此,为了获得目标温度下InGaN阱层的较为精确的光学带隙,提出了荧光测量至少应满足的测试条件,即必须消除该目标温度下非辐射中心、局域中心以及量子限制斯塔克效应对辐射过程的影响.     

三维光学晶格中铯原子的装载与冷却

建立了四光束的三维光学晶格势场,在铯原子磁光阱和光学粘团的基础上实现了红失谐三维光学晶格中冷原子的装载.借助于短程飞行时间吸收谱测量冷原子温度,通过改变光学晶格的总光强和频率失谐等条件,对光学晶格中铯原子的亚多普勒冷却以及光学晶格中冷原子的寿命进行了研究. 关键词： 光学晶格 磁光阱 光学粘团 冷原子     

线偏振光和圆偏振光下ZrO_2和Al_2O_3陶瓷材料的飞秒激光烧蚀性能

将不同脉冲数的飞秒激光作用于陶瓷材料表面,研究了线偏振和圆偏振激光对氧化锆和氧化铝陶瓷材料烧蚀阈值的影响,利用光学显微镜和扫描电子显微镜分析了烧蚀坑表面形貌,利用激光扫描共聚焦显微镜确定了烧蚀坑深度.结果表明:两种材料在线偏振光下的饱和烧蚀阈值均小于在圆偏振光下的值;当偏振态相同时,氧化锆饱和烧蚀阈值小于氧化铝.随脉冲数增加,线偏振和圆偏振光下氧化锆烧蚀坑表面结构均由无序向有序发展,出现了周期性环形波纹结构和纳米孔洞阵列.与线偏振光相比,圆偏振光对烧蚀坑深度的作用更明显,且烧蚀坑表面形貌对能量密度变化比较敏感,更容易产生周期性结构.     

基于光学涡旋相移技术的离面位移测量

设计了基于光学涡旋相移技术的离面位移测量实验方案,实现了电子散斑干涉中相移的数字控制.该方法利用输入液晶空间光调制器中的叉形光栅产生涡旋光束,通过涡旋光束绕轴的旋转产生相移;同时,产生的涡旋光束又作为参考光与物光干涉.实验中,在物体发生离面位移前后依次输入四幅叉形光栅,产生相移步长为π/2的涡旋光束,利用CCD获得涡旋光与物光的干涉光场,从而获得离面位移场的包裹相位;再通过解包裹,获得物体离面变形的相位变化.光学涡旋相移法可应用于离面位移测量.