Airy光束的传输特性及在光学微粒操控中的应用研究

光学微操控中的许多进展都得益于结构光场的应用，而"无衍射"光束就是很重要的一种结构光场。作为"无衍射"光束的一个例子，Bessel光束在光学微操控领域得到了广泛的应用。Airy光束是另一类"无衍射"光束。它除了和Bessel光束一样具有"无衍射"和"自重构"特性以外，Airy光束还有一个特性，就是光束沿着弯曲的轨迹传播，也称为具有横向加速特性。Airy光束的这些特性已经在光导引粒子运动中得到了初步的应用。我们将通过研究Airy光束的电磁场和微粒的相互作用，搞清微粒的尺寸、光学性质、形状及Airy光束的特性参数等对微粒动力学的影响，探索Airy光束的无衍射、自重构和横向加速在微粒光操控中的应用。研究Airy光束在微流体环境下对粒子的导引、分离和分类方面的应用。建立基于Airy光束的微流控光学层析系统。

光学微操控中的许多进展都得益于结构光场的应用，而“无衍射”光束就是很重要的一种结构光场。而Airy光束就是一种无衍射光束，并且具有自愈和沿弯曲轨迹传播的特性。在本项目中，我们按照计划开展研究，在光学微操控和粒子捕获、输运方面取得了较大的进展。我们将我们的研究工作增加了分析电子在真空中加速的理论研究，并取得了很好的研究结果。在Airy光束对瑞利粒子的捕获和推进作用的理论分析基础上，我们进一步开展了Airy光束对Mie粒子的捕获的研究。我们通过采用平面波谱和任意光束理论得到了光学俘获力和粒子的尺寸及相对折射率的关系；我们首先对Airy光束迅衰场对粒子的操控和输运进行了系统的研究。通过采用电磁场的矢势理论和谱方法，我们推导出了存在于棱镜表面的Airy迅衰场的表达式，详细的讨论了Airy迅衰场作用在Mie粒子上的光辐射力。我们讨论了在Airy迅衰波的情况下，光学俘获力的形态学共振和粒子内部场分布的关系。在分析迅衰场的俘获研究中，粒子和界面之间的多散射效应也是一个很重要的因素，我们对多散射效应对光辐射力的影响进行了深入的研究，采用广义最小误差法消除了迭代法中所出现的误差和发散。在真空电子加速方面，我们通过引入Weniger变换解决了采用微扰法做遇到的电磁场表示的发散问题，并采用该方法分析了径向偏振高斯光束的加速电子的问题。在Airy光束加速电子方面，首次提出了真空中交叉Airy光束加速电子机制。根据Airy光束相对位置和横向加速特性，设计了“面对面”和“背对背”式交叉机制。“面对面”交叉机制可以连续二次加速电子，从而使电子获得更高的能量增益。