微粒光负力矩与逆光传输理论研究

Optical micromanipulation is devoted to the study of trapping, binding, transporting, or rotating particles ranging from tens of nanometers to tens of micrometers by using optical force and torque, and it has very important effects on many fields such as physics, biology, chemistry and so on. This project aims at the theoretical study of negative optical torque and backward optical transportation of microparticles, and some relative problems. Concrete research tasks include: research on the mechanism of negative optical torque, which is another innovation in the concept of fundamental optics after the proposal of optical pulling force by us, it will provide more flexibility and freedom to optical micromanipulation, and will have important effects on DNA sequencing, nanoelectromechanical systems and so on; improve the optical pulling force, and enlarge the range of realization for practical application; analyze the transport mechanism of particles in different tractor beams; obtain the multipole expansion of optical force, and give the analytical expressions of the gradient and the scattering forces for Mie particles, in order to better analyze the underlying physics in novel phenomena; incoorperate the boundary element program with the efficient fast multipole algorithm, and enhance the accuracy for three dimensional calculation. The research tasks in this project are not only important theoretical frontier problems in the field of optical micromanipulation, but also provide reliable basis, and possess direct reference value to the development and application of optical micromanipulation.

光学微操控主要研究光力与光力矩对尺度在几十纳米到几十微米量级的微粒的俘获、束缚、传输、转动等操作，对物理、生物、化学等多个科学领域都起到了非常重要的影响。本项目主要开展对微粒光负力矩与逆光传输现象及相关问题的理论研究。主要研究内容包括：对光负力矩产生机制的研究，光负力矩是我们继提出光吸引概念后对基础光学理念的又一创新，为光学微操控提供了更多的灵活性和自由度，将在DNA测序、微纳机电系统等方面发挥重要的作用；优化光吸引力，扩展其实现范围，使其向实际应用更进一步；分析微粒在各种俘获光束中的传输机制；得到光力的多极展开，解析区分Mie粒子受到的梯度力和散射力，以便更好的分析现象背后的物理原理;完成边界元程序与快速多极法的结合以及增加三维计算的准确度。本项目的研究内容既是当前光学微操控的重要理论前沿问题，也可为实验研究提供可靠的依据，并对光学微操控技术的开发与应用具有直接的参考价值。

对微粒的操控依赖于光产生的光力和光力矩。光力可以推动粒子远离光源，也可以牵引粒子朝向光源运动。而借助光力矩则可以使粒子自由转动。本项目基于多重散射理论、多极展开理论、边界元方法等理论方法，围绕产生光负力矩、逆光传输的多种机制以及相关热点和基础问题进行了一系列研究。在对光负力矩的研究方面，一方面我们采用具有旋转对称性的单层结构，研究结果表明带有正角动量的入射光可以使结构得到负力矩而逆向转动，其实现原理是由于光到达结构不同位置处的光延迟产生，并且可以通过适当增加结构的分立旋转自由度来提高负力矩；另外我们还采用双层结构来得到负力矩，同时解决了入射光角动量有限，以及多个单层结构对入射光竞争的问题，使得只用少量光就可以实现大的力矩，并且极大减少了吸收导致的负面效应，还可以使难被转动的低介电常数结构的力矩提高两个量级；并且我们还借助自旋轨道耦合，采用螺旋金属线产生负力矩，同时产生可调控的涡旋光场。在逆光传输方面，我们对各种牵引光束实现原理做了辨析，并且采用了二维长方体结构极大减少了产生吸引力的入射光角度。在数值以及解析分离Mie粒子所受梯度力和散射力基础上，我们研究了材料介电常数、微粒半径、数值孔径等因素对梯度力和散射力各自的影响，实现了对微粒更加准确、灵活的操控。对光动量和光角动量在光力和光力矩中的贡献做了分析，给出了光力和光力矩的完整的任意阶电磁多极矩展开解析表达式。同时，我们逐步实现跨学科融合，采用拉盖尔高斯光束解决了带有NV色心的金刚石热损耗问题。在项目执行期间，我们在国内外学术期刊发表文章5篇，与本项目有关的若干文章正在完善或即将投稿，在多个国际会议上就本项目课题做了分组报告，受到国内外同行的广泛关注和引用。项目结果为光学微操控提供了更多自由度，将在细胞筛选、分子提纯、细胞手术等方面发挥重要作用，为实验提供了有用的参考资料，有助于复杂光机系统的发展。