非均匀球对贝塞尔波束的电磁散射及俘获力研究

许多生物细胞其折射率呈现非均匀性，可以等效成径向非均匀球模型，基于高会聚激光对粒子产生的三维力可以实现对这些生物细胞的非接触性、无损伤操纵，传统的基于高斯波束的光镊其效率和功能受到一定的限制,而基于贝塞尔波束的光镊技术有望大大提高粒子的捕获效率,并实现全新的功能。因此关于非均匀球粒子对贝塞尔波束的电磁散射特性、以及贝塞尔波束对非均匀球的辐射压力和扭矩的物理机理研究具有重要的理论和和实用意义。.本项目拟系统研究非均匀球对贝塞尔波束的电磁散射理论、以及贝塞尔波束对非均匀球的俘获力、及其在生物细胞操纵中的应用。主要研究工作如下：系统研究贝塞尔波束波束因子的计算方法；在此基础上，推导非均匀球粒子对贝塞尔波束散射的广义米理论以及德拜级数展开表达式；数值分析贝塞尔波束对非均匀球粒子的俘获力和扭矩，并详细分析贝塞尔波束对不同生物细胞的捕获和操纵效果、以及俘获力和扭矩的物理机理；光镊技术。

波束与粒子相互作用时会交换动量和角动量，从而对粒子施加力和力矩，实现对粒子的捕获和旋转。贝塞尔波束具有很多独特的性质，可以提高粒子的捕获和操纵效率，并实现一些全新的功能。本项目按照预期计划，从贝塞尔波束波因子推导、非均匀球对贝塞尔波束电磁散射理论、以及贝塞尔波束的力学效应等方面进行了研究，完成了项目所有计划内容，取得了预期研究成果。具体研究成果如下：.1..基于平面波角谱理论推导了贝塞尔波束的电磁场，然后基于积分区域近似法，推导了贝塞尔波束波束因子表达式，并数值验证了波束因子的正确性。积分区域近似法既拥有积分法的精度，同时也具有区域近似法的速度，能满足很多实际应用的需求，同时可以很方便的推广到其他波束波束因子计算。.2..推导了非均匀球对贝塞尔波束散射的广义米理论（GLMT）和德拜级数展开（DSE），并利用GLMT和DSE分析了非均匀球对贝塞尔波束散射的远场散射强度，最后利用DSE详细分析了贝塞尔波束入射到球粒子时所产生的一阶彩虹。GLMT可以给出粒子波束散射的精确解，而DSE不仅能给出精确解，还能分离出不同散射过程的贡献，从而给出许多现象（如彩虹、临界散射等）的物理解释。粒子的彩虹散射特性分析对基于彩虹理论的粒度测量有很重要的意义，同时贝塞尔波束入射时产生的双一阶彩虹有望为粒度测量提供更多的信息。.3..基于非均匀球对贝塞尔波束的电磁散射理论，得到了贝塞尔波束对球粒子辐射压力的GLMT和DSE，并详细分析了波束位置、粒子尺寸等参数对辐射压力的影响，以及不同散射过程对辐射压力的贡献。数值计算表明：贝塞尔波束可以同时横向地捕获多个粒子，捕获点的数量和位置决定于粒子相对于波束强度峰间距的大小；辐射压力与粒子尺寸紧密相关，利用辐射压力的尺度效应，可以实现对粒子的筛选等；与高斯波束相比，贝塞尔波束可以提供更大的辐射压力，特别是纵向辐射压力。.4..推导了贝塞尔波束对球粒子扭矩的GLMT和DSE，并用于分析贝塞尔波束对生物细胞的旋转。数值结果表明：线极化贝塞尔波束只对吸收球粒子施加扭矩；贝塞尔波束可以同时实现对多个粒子的旋转，随着阶次的增加，操纵的粒子数目也会增加；高阶贝塞尔波束可以实现扭矩方向的转换，出现负扭矩；辐射扭矩与贝塞尔波束角度a0关系密切，通过调整a0的大小，可以改变物体的旋转方向。.5..共发表学术论文12篇，其中SCI收录3篇，EI收录5篇，另有专著1章待发表