全息光镊操纵和组装纳米线技术研究

全息光镊操纵和组装纳米线技术，是采用计算全息图控制空间光调制器对入射激光进行相位调制，产生多个空间光阱；以实现三维移动、旋转纳米线和对纳米线及其组合体稳定捕获；将高功率激光与全息光镊相结合可以对捕获后的纳米线进行熔合和切割，完成纳米线的组装。本申请课题的特色和创新点有：⑴该技术可以提供精确的三维空间位置控制，有利于制造出新型复杂结构的微纳功能器件；⑵建立全息光阱中激光与纳米线相互作用的力学仿真模型，实现光阱力的测量，验证并修正力学模型，揭示全息光镊中光力场的分布和变化规律；⑶建立全息光镊切割和熔合纳米线过程的热学仿真模型，获取温度场的分布和随时间演化规律；⑷组装出由纳米线构成的新型二维、三维结构的微纳器件。本申请课题的研究为全息光镊操纵和组装其它纳米材料的应用提供方法和理论依据。

全息光镊技术能同时产生多个光阱和各种光分布，具有三维动态控制样品的能力，因而被看作光镊技术的第二次革命。自它出现以来的十几年里，全息光镊技术在纳米技术、生物、物理等诸多领域显示出较高的应用价值。本课题将全息光镊技术用于操纵和组装纳米线，在以下几个方面展开了研究。. 建立了全息光镊实验平台，对生成全息图的GS(Gerchberg-Saxton)和DBS(Direct Binary Search)的算法进行了研究和改进。提出和实现了多平面 AA算法，在保证光镊光场分布均匀性的同时，使得输出效率提高，提高了光镊的三维捕获能力。通过减少临时全息图中相位翻转次数和选取临时像素点数目等于目标点数目，实现了对基于DBS算法的OPPO( outplane phase optimize)算法的改进，能够在不影响效率的前提下，大大缩短计算时间。此外，为了获得特殊的漩涡光阱，设计了用于产生拉盖尔-高斯光束的计算全息图。. 全息光镊实验研究方面：采用多平面AA算法，在全息光镊实验平台上实现了对微粒的三维捕获和操纵。采用改进的DBS算法，实现了对小数目微粒的实时操纵。采用流体力学方法对全息光镊捕获酵母细胞的横向光阱刚度进行了测量。采用计算全息产生的光学漩涡实现了对氧化锌纳米线的捕获和旋转操作。采用全息光镊平移、旋转、加工和组装氧化锌纳米线得到了二维和三维结构。. 进行了光阱力计算的研究。采用三维时域有限差分法(FDTD)和Maxwell应力张量法建立了单光镊在焦点附近捕获球形微粒和纳米线的光阱力模型。讨论了光源的波长、束腰、偏振态和微球的半径、折射率以及纳米线材料的折射率对光阱力的影响。采用有限元方法对激光切割和融合氧化锌纳米线进行了仿真。 . 研究工作的创新点有：提出了多平面AA算法，提高了输出效率高，增强了光镊的三维捕获能力。提出了改进的DBS算法，使全息图计算时间大幅度降低。提出和实现了采用FDTD数值仿真线偏振和径向偏振光镊捕获纳米线。发现在同样激光功率下，相对于通常使用的径向低阶拉盖尔-高斯光束，径向高阶拉盖尔-高斯光束可以使纳米线旋转更快，理论上进行了论证，实验上得到了验证。. 本课题的研究，为后续研究工作的进一步开展奠定了理论和实验基础。