三维密集型涡旋阵列光场及其对微粒操控的理论与实验研究

This project combines the research of particle capture, light field regulation and other frontier areas of physics, to study the capture, selection and manipulation of particles by the light field of 3d vortex array through theoretical calculation simulation and experimental exploration. Theoretically, the mathematical expression of the array light field with dense vortex structure is analyzed. And the expression of photon orbital angular momentum in the field is deduced. In the experiment, the same plane of the vortex array light field can simultaneously control many special liquid phase particles in two dimensions. For example, the vortex can capture particles with a refractive index smaller than that of the surrounding medium, and the light intensity can capture particles with a refractive index larger than that of the surrounding medium. In addition, the effects of polarization, phase, topological charge and other factors on the control effect are further studied. On the other hand, the three-dimensional capture and manipulation of special types of particles by different planes are studied experimentally. Compared with the traditional single beam optical tweezers, our optical tweezers have the advantages of multi-optical traps, real-time independent manipulation and special optical traps. It is expected that the results of this study will have important application value in the experiments of optical bulk manipulation of particles, and also provide a new and important means for the fields of biomedicine and photonic crystals.

本项目结合微粒俘获和光场调控等物理学前沿领域的研究成果，拟通过理论计算模拟和实验探索的方法研究三维涡旋阵列光场对微粒的俘获、筛选和操控。理论上，解析出具有密集涡旋结构的阵列光场数学表达式，推导出该光场中光子轨道角动量表达式，研究阵列光束不同位置处的光力。实验实现涡旋阵列光场同一平面能够同时对许多特殊液相微粒的二维操控效果：如涡旋处能俘获折射率小于周围介质的微粒，光强处能俘获折射率大于周围介质的微粒；并且进一步研究光束的偏振、相位、拓扑荷等因素对操控效果的影响。另一方面，实验上研究不同平面对各种特殊类型微粒的三维俘获和操控。相比于传统的单光束光镊，我们的光镊具有多光阱，实时独立操纵，可产生特殊光阱等特点。我们预期该研究结果将在光批量操纵微粒实验上具有重要的应用价值，同时也将为生物医学，光子晶体等领域提供一种全新的重要的手段。

相比于传统的单光束、双光束光镊仪，每次俘获的粒子类型单一，数量较少。我们设计了新型三维密集型涡旋光场和多光束的涡旋光镊仪。本项目结合理论推导，数值模拟和实验的方法研究了用于粒子俘获的光子莫尔晶光场的制作，推导了莫尔晶格光场的叠加条件。另外提出了一种梯度莫尔结构的设计方法：首先推导出三角、四角、六角莫尔晶格场的周期条件， 计算出三角与六角莫尔波长叠加的扭角取值范围。在此基础上， 引入子波场振幅调制，按照“六角+ 三角 + 六角” 的形式叠加，得到包含三种莫尔结构的梯度莫尔波场。将同相和反相叠加产生的三个子莫尔波场进行相干叠加，生成不同的梯度莫尔光场。并通过对其相位和莫尔结构的分析，研究了莫尔光场的频谱旋转对称性与莫尔结构组合的关系。本课题组还设计了一款光镊仪，此光镊仪由公司根据我们的设计加工制成。此光镊仪有多光束涡旋光镊，能同时控制多个粒子，并能实现人机交互，操作者能用鼠标操纵粒子，可以通过移动鼠标来移动粒子到任意同平面的位置。我们的光镊仪具有多光阱，实时独立操纵，可产生特殊光阱等特点。本课题组还理论计算了特殊光束，该光束纵向控制纵多个粒子。并计算了光束的梯度力。多束该光束组成的光阵列在三维立体空间能同时控制多个粒子。我们的光镊仪是开放的，后续会根据研究者的需要再改进和完善。该研究结果将在光批量操纵微粒实验上具有重要的应用价值，同时也将为生物医学，光子晶体等领域提供一种全新的重要的手段。 由本项目资助发表在国际著名期刊PRA、OL、OE等论文有14篇，培养了10名研究生，协助培养一名博士。另外，我们在激光技术等方面还作了一些创新研究。