基于各种类型的突然自动聚焦光束的光操控微粒理论与实验研究

This project will investigate optical micromanipulations based upon various kinds of abruptly autofocusing beams. The theoretical calculation has demonstrated the special characteristics of the optical tweezers with the abruptly autofocusing Airy beam, such as trapping particles with different refractive indices at multiple planes (Y. Jiang, Opt. Express, 2013). Although this has greatly improved the optical tweezers, it still lacks experimental demonstration. We will demonstrate the advantages by using autofocusing Airy beams in experiment in this program, and investigate the influences of the amplitude, phase and the polarization state on the optical trap. Besides the well-known circular Airy beams, we will also seek new kind of abruptly autofocuing beams with special trajectory or special focal pattern in this program. The propagation characteristics and the applications of these beams in optical micromanipulation will be investigated, so one can choose appropriate abruptly autofocusing beams according to the actual requirements. We believe that the investigation results will have great applications in optical micromanipulation, and it also offers a new tool in the fields of medical laser treatments.

本项目通过理论计算模拟与实验探索研究各种类型的突然自动聚焦光束对微粒的俘获与操控。理论上的计算表明，利用圆形Airy光束能够实现许多特殊的操控微粒效果：如多平面俘获不同折射率的微粒等等(Y. Jiang, Opt. Express, 2013)。但是，这些操控效果目前还缺乏实验的验证。本项目将通过实验证这些性质，并且进一步研究光束的偏振、相位等因素对操控效果的影响。另一方面，目前突然自动聚焦光束的研究主要集中于圆形艾里光束，为了更好的将突然自动聚焦光束应用于光镊中，本项目将进一步寻找各种轨迹、各种聚焦形状新型的突然自动聚焦光束，研究其在光操控微粒中的特殊应用，使得研究者能够根据具体的不同的实验需要选择合适的突然自动聚焦光束。我们预期该研究结果将在光操控微粒实验上具有重要的应用价值，同时也将为生物医学以及激光治疗等领域提供一种全新的、重要的手段。

本项目按照原计划进行，完成了主要的研究内容，并拓展了一些研究内容，取得了相关的成果。本项目的研究背景针对突然自动聚焦光束的理论及实验研究，这些研究包括圆形Airy光束的传输性质与产生，带涡旋的圆形Airy光束，以及径向偏振的圆形Airy光束。这些研究都主要集中于圆形Airy光束。关于其他类型的突然自动聚焦光束。本项目按照光束传输的角谱理论数值模拟了多种新型光场，包括Airy光束，圆形Airy光束，对称Airy光束，矢量圆形Airy光束的传输特性，并建立理论分析了在圆形Airy光束等新型光场中瑞利粒子所受到的辐射力和梯度力，并将其转化为代码进行仿真，分析其在光镊系统中的可行性；课题组设计了基于空间光调制器的光路，制备各种新型光束，并且在实验室搭建了模块化的新型光镊系统，且已成功俘获10微米量级的聚苯乙烯微球和活体酵母菌。.本项目利用频谱调制技术产生了一种新的类似于对称Airy光束的多焦点自聚焦光束。另外不管是对称Airy光束还是圆形Airy光束在经过我们的频谱调制之后都可以在很大程度上提高其自聚焦性能。圆形Airy光束或对称Airy光束的这种突然自动聚焦的性质在激光治疗等领域有着重要的应用价值，特别是光镊领域，因为自聚焦可代替高数值孔径的透镜对光束的汇聚作用。.光镊是因为粒子在光场中所受到的力的作用，能够稳定的陷俘在平衡位置。艾里光束与普通的高斯光束不同，艾里光束在光操控粒子领域中能够起到清除粒子或者横向转移粒子的作用。本项目在这样的近似下分析了不同的光束对粒子的力的作用。本项目分析了圆形Airy光束对粒子施加的力，通过调节光束的相关参数，来分析俘获粒子条件和平衡位置。。此外，我们还分析了偏振态径向变化的矢量光束对粒子施加的力，以确定稳定俘获后粒子的运动状态。这些研究为研究者提供在具体的光镊实验中采用不同光束情况下是如何俘获微粒的认知上的科学意义。以此为基础选择合适的光束作为光镊的入射光束提供重要的指导。