光与物质间相互作用力的研究

摘要

人们对光辐射压力的研究与应用越来愈广泛，光镊技术和光学升力是人们利用光辐射压力的两个重要方面，特别是光镊在微生物领域的运用，光镊不但可以无损伤的移动细胞完成基因融合，还能冷却和重新排列原子，而近两年才开始的光学升力的研究，对未来光对物体操控和微观机械力学的发展更是有着深远的意义。
　　本文首先根据里查德-沃耳夫矢量积分理论，研究了径向偏振光在大数值孔径透镜聚焦下，透镜球差和像散对瑞利粒子受到的光阱力的影响。研究结果表明，球差系数和像散系数的存在，改变了光阱力的大小，也影响了有效作用区域，还导致光阱中心发生偏移。而且正负球差系数对光阱力的影响并不总是对称的，正球差系数使得梯度力的零点位置往z轴正向偏移，负球差系数使得梯度力的零点位置往z轴负向偏移。通过改变适当的条件，可以改善球差系数和像散系数对光阱力的影响，这些结果对于光镊等精密仪器的操作具有参考价值。
　　其次应用平面波角谱理论，研究了在高斯光束的照射下，透明介质平板的受力分布。利用光压差产生光学升力，深入分析了光束的光腰半径、平板的摆放位置以及倾斜角度等参数对透明介质平板受力分布的影响。研究结果表明：适当选取光腰半径和摆放位置，平板受到的横向力可以增大到足以克服重力，使其在光束的照射下升起来。还可以通过缔造可以产生更大辐射力的光束的角谱方程，来返回推导并构造这一类型的激光光束，使其照射物体时，物体能够受到更大的光学升力。
　　然后研究了一特殊形状微型物体，在涡旋光束照射下的旋转情况。根据动量和角动量守恒定理，推导了微型物体在x、y和z方向上受力旋转的力矩公式。通过数值计算，得到了微型物体在不同表面倾斜角度的情况下，该微型物体旋转的特性。研究结果表明，由于涡旋光束的轨道角动量与光束动量的相互作用，改变涡旋光束的拓扑荷数，既可以使微型物体保持静止，也可以改变微型物体旋转的方向和旋转的速度。这对微观机械力学和其他高精密仪器的发展提供了理论依据。
　　最后研究了底面为钝角三角形三棱柱的光学升力及其旋转效应。从理论上证明了在某些特定的轰击角度下，这种三棱柱可以稳定的做垂直向上的运动，同时得到了使三棱柱稳定抬升的最佳角度。利用这种光压差，对任意形状的透明物体进行研究，研究结果对未来的航天领域、微观机械力学和医药等领域具有很重要的意义。此外，也可以通过理论分析，利用不同模式的光束进行照射，加大这种光压差，使透明物体受力更大。
　　论文所得到的这些结果为未来光操控物体提供了理论依据。