各向异性粒子系对矢量拉盖尔高斯涡旋波束散射及操控力效应研究

The study on the scattering of anisotropic particle system by vector vortex beam is always the hot spot of research and the analytical solution is always a challenging problem. Based on the angular spectrum and various expansion methods of Gaussian beam, beam shape coefficients convergent expansion and applicable conditions，we investigate the descriptions of vector Laguerre-Gaussian (LG) vortex beam and multiple vector vortex shaping beam, as well as its frequency, amplitude, phase and orbital angular momentum characteristics. Using the Generalized Lorenz Mie Theory (GLMT), Generalized Multiparticle Mie theory (GMM), the translational addition theorems, the analytical solutions to the scattering of vector LG vortex beam by anisotropic particle system are studied. The effects of spiral phase, spin angular momentum, and orbital angular momentum on the scattered field are analyzed. We develop the scattering model and work on the influence of the topological structure, particle dielectric tensor, beam and particle relative position on scattering characteristics, trapping force, tractor force, radiation torque and optical binding force, as well as the physical mechanism. The theory will provide theoretical support for research fields of the particle sizing, optical manipulation, atmospheres inspection and new functional materials.

各向异性粒子系对矢量涡旋波束散射作为当前研究热点，其解析解理论一直是具有挑战性的研究课题。本项目基于矢量涡旋波束场的角谱展开和高斯波束各种展开方法，波形因子收敛形式和适用条件，研究高拓扑荷、宽发散角矢量拉盖尔高斯涡旋波束，多矢量涡旋波束合成场的电磁场描述，以及频率、振幅、相位、偏振和轨道角动量分布特性。运用广义洛伦兹Mie理论（GLMT）、多粒子Mie理论（GMM）和旋转加法定理，研究各向异性粒子系对不同拓扑荷矢量拉盖尔高斯涡旋波束散射解析解，分析螺旋相位、偏振自旋角动量和轨道角动量特性的影响；着重研究矢量拉盖尔高斯涡旋波束/合成涡旋波束与各向异性球形粒子系的相互作用，建立其散射模型，分析拓扑荷结构、粒子介电张量、波束与粒子相对空间取向，对散射特征、束缚力、牵引力、扭矩和结合力的影响规律，揭示相关的物理机理。研究成果为粒度分析、粒子操控、环境检测、新型功能结构材料等领域应用提供理论支撑。

基于复源点方法和矢量波理论，研究了高拓扑荷下宽发散角矢量拉盖尔高斯涡旋波束的非傍轴近似解展开理论，突破了高阶厄米高斯波束、高阶贝塞尔涡旋波束及艾利涡旋波束在任意坐标系下的电磁场描述和波束展开关键技术，根据矢量叠加方法推导了两个任意方向波束的展开系数表达式，研究了拉盖尔高斯涡旋波束及合成波场的频率、振幅、相位、偏振和轨道角动量分布特征。建立了单、双、多个周期阵列及随机分布复杂各向异性粒子系的散射模型，研究了单/多个各向异性系对拉盖尔高斯涡旋波束、厄米高斯波束、零阶和高阶贝塞尔涡旋波束及双波束的散射特性。系统研究了各向异性参数、粒子空间分布、波束入射角、偏振模态和拓扑荷等对矢量拉盖尔高斯等涡旋波束的散射幅相、偏振和轨道角动量分布特性，以及纵横向辐射力和扭矩特性的影响规律，揭示其物理机理。导出了多层手征介质球对平面波/高斯波束的散射内场和近场展开系数稳定迭代递推解析解，解决了矩阵解在数值计算上的瓶颈。完成了聚集多体各向同性/各向异性/手征粒子系对矢量拉盖尔高斯涡旋波束等有形波束散射和结合力研究。率先研究微粗糙基片/膜层的波束光散射，粗糙面上方粒子复合的波束光散射特性，以及缺陷尺寸、方位、折射率等因素对粒子间或粒子与界面相互作用力的影响。利用人工电磁材料实现了对空间电磁波和表面电磁波的调控，产生了双频双线极化双模态、线圆极化可调、多波束多模态、双线极化双模态的无衍射特性涡旋电磁波；利用各向异性全息阻抗表面实现了线、圆极化混合模态涡旋电磁波近场检测。各向异性粒子系对矢量拉盖尔高斯涡旋波束的散射及操控力效应研究成果为粒度分析、粒子操控、波场调控，以及生物大分子的操控与细胞融合，合成等领域提供理论依据;非均匀介质和湍流大气，以及多极化多模态涡旋电磁波激励和检测成果为通信中的多维度信息复用和多波束复用的参数选取与应用提供了技术支撑。