各向异性核壳结构电磁颗粒体系所受光力的研究

This program will use Maxwell stress tensor to calculate the total time-averaged electromagnetic force. Based on the generalized Lorenz-Mie scattering theory，as well as the Electromagnetic numerical simulation software, we analyze the optical forces on the core-shell structure nanoparticles, composed of radially anisotropic materials and metal with nonlocal effect. We analyze in detail the following problems and try to explain the physical origin in the context of classical electrodynamic: (1) Study the characteristics of optical force on the anisotropic core-shell nanoparticles under different incident lights. Analyze the influence of the anisotropic optical constants and the magnitude or direction of the incident light, try to investigate the characteristic under the anomalous scattering conditions, and especially focus on the conditions to obtain negative force. (2) We will establish the full-wave electromagnetic scattering theory of the coated nanocylinders(considering radial anisotropy and nonlocal effect), and study the optical force on such system using effective medium theory. Deduce the conditions to get the maximum and minimum force under the quasi-static limit. The interesting results of the core-shell system which composed of both anisotropy and nonlocal materials will also be discussed.

本项目将运用麦克斯韦应力张量法，结合推广的Lorenz-Mie 散射理论、以及数值仿真模拟软件，开展径向各向异性与非局域性相结合的球形（柱形）核壳结构纳米颗粒体系所受光力的研究。着重关注以下科学问题：（1）在不同的入射波作用下，径向各向异性球形颗粒（核壳结构）体系所受的光力。分析入射波，各向异性电磁参数等变化对光力大小和方向的影响，特别是在颗粒异常散射时光力的特征。着重研究体系负光力的获得条件。（2）发展径向各向异性介质与具有非局域效应金属核壳结构纳米柱的全波电磁散射理论，以及该体系的有效媒质理论来研究体系所受光力。得出小颗粒近似下体系光力极大与极小的条件，同时探讨各向异性与非局域性相结合的带壳颗粒体系所受光力可能产生的有趣结果。

随着激光的问世，对纳米颗粒的光捕获与光操控越来越多的受到研究者的关注。其应用也涉及到生物、物理、化学、医药等领域。而到目前为止，对于各向异性颗粒体系以及纳米颗粒考虑到非局域效应下所受的光力研究甚少。本项目在基金的资助下，对各向异性纳米颗粒所受异常光力以及非局域等离激元激光器和非局域等离激元核壳激光器的产生条件和非局域颗粒所受光力进行了相关研究，结果如下：.（1）基于径向各向异性球颗粒的全波电磁散射理论，并结合麦克斯韦张量法。研究了各向异性电磁颗粒在平面波照射下所受的异常光力。我们发现各向异性的引入，可以使得小颗粒体系所受的光力不再遵循瑞利定则（光力正比于入射波矢的四次方和颗粒半径的六次方: F正比于k0^(4)a^6。在一定条件下，光力可以异常表现为：F正比于k0^(0)a^2，F正比于k0^(-2)a^0或F正比于k0^(8)a^(10)。也就是说，作用在各向异性颗粒上的光力可以被大大增强，基于颗粒的电共振，并且可以进一步随着各向异性参数调节而增大。相反，各向异性颗粒所受光力还可以被很大程度的削弱，基于颗粒的电磁“透明”原因。.（2）我们基于全波非局域Mie理论建立了非局域等离激元激光器和非局域等离激元核壳激光器的产生条件。计算结果表明，当考虑到非定域性或空间离散，所需要的增益阈值和增益折射率变大。这种倾向可以通过分析非局域金属纳米粒子的拟等效介电常数加以理解。因为紧凑纳米粒子的非局域性相当显著，所以我们的研究在超小纳米激光器设计方面具有很大重要性。同时非局域颗粒所受光力也展开了部分研究。.（3）在基金资助下发表两篇文章：Optics Express 22:027355（2014）；Physical Review A 89：053824 （2014）。参加国际会议一人次（META 2014，五月20日-23日，新加坡 ）。