矢量涡旋光场的光力效应研究

In this project,we will mainly investigate the trapping and manipulation of vectorial-vortex light beams on Rayleigh particles. First, we will study the effects of complex vector beams acting on Rayleigh particles including the polarization effect of the vectorial beams on the trapping efficiency or rotation effect for the particles; meanwhile we would like to research on the effect of orbital angular momentum of light fields (induced by the phase singularity) on optical forces. Furthermore, we will search for the existence of the more practical vector beams to produce the optical pulling forces. Lastly, based on our previous results, we will extend to study the trapping effect of vector pulsed beams on small particls, and study the effect of the pulse's vector properties on the light forces, and understand on the effect of the pulse duration and pulse coherence on trapping efficiency. We bebieve that our project will be benefitful for the development of optical tweezers and the experimental investigations in this field.

本项目主要考虑矢量涡旋激光场对瑞利粒子的捕获与控制:首先将考虑复杂矢量光束对作用在瑞利微粒上的光力的影响，考虑如何利用矢量光束的偏振特性参数来优化捕获效果或控制转动效果，同时考虑光场相位奇异引起的轨道角动量对光力的影响；其次研究是否存在更为实际的矢量光束，它可对瑞利微粒产生光学牵引力的作用；最后，结合我们已经有的研究成果，我们将研究矢量脉冲光镊技术,研究脉冲的矢量特点对光力的影响，脉冲的时间宽度、脉冲相干性对捕获效果的影响。本项目的研究内容既是当前光镊技术的重要理论与技术前沿问题，并可为实验研究提供可靠而扎实的基础。特别是，我们预期该研究结果对光镊技术的开发与应用具有直接的参考价值。

众所周知，光具有动量与能量。当光与物质发生动量和能量交换时，光场就具有力学效应。尽管光的力学效应的研究最早可以追溯到19世纪，但真正开始系统地研究光力效应开始于激光发明之后。早期，对光力的研究主要针对标量光束，随着激光物理研究的深入，人们发现光的矢量、涡旋特性是非常重要的自由度。正是在这样的背景下，我们提出考虑矢量激光场对瑞利粒子的捕获与控制。首先，我们研究了如何构建新型的矢量光场，以及新型矢量光场具有的光物理特性，如坡印亭矢量、辐射力、散射力和梯度力等因素。其次我们考虑了复杂矢量光束对作用在瑞利微粒上光力的影响，考虑如何利用矢量光束的偏振特性参数来优化捕获效果或控制转动效果；并得到了可对瑞利微粒产生直接的牵引力作用负散射力；最后，结合我们已经有的研究成果及国际研究热点，我们研究了矢量脉冲光在不同色散平板结构里的光学响应特性，得到了新型的反直觉色散关系；研究了矢量光场的古斯-汉欣效应，揭示了光束空间相干性对古斯-汉欣效应的影响。与此同时，我们在研究经费的资助下，构建了光镊实验平台，实验平台的建设为今后的实验研究做了积累。这些研究结果对人们开发与应用新型光镊技术具有直接的参考价值。