非球形与结构微粒光学微操控的若干理论研究

Based on the T-matrix method and the multiple scattering theory, we propose to develop some algorithms and computer codes for studying optical micromanipulation on nonspherical particles, structured particles and particles in some tailored environments, exploring new physical phenomena, identifying the associated physical principles and investigating their potential applicability. To be specific, we will focus on the following aspects. 1) Based on the extended boundary condition method, the discrete dipole approximation and the multiple scattering theory for particle aggregates, we are going to develop some efficient algorithms and computer codes to compute the T-matrix for nonspherical, inhomogeneous and structured particles. With the newly developed codes, we will proceed to explore new physical phenomena and effects of complex particles illuminated by a variety of optical fields, new physical principles and their possible applications. Emphasis will be placed on the role of the internal degree of freedom of complex particles and the associated modes and resonances on the optical force and optical torque. 2) Based on multiple scattering theory and using the transformation between vector spherical wave and vector planar wave functions, we will develop a computer program that works for multiple particles in the proximity of a planar interface, with which we can study the optical micromanipulation of particles in some tailored environments and the role of so-induced resonances. 3）We also propose to work on the decomposition of the optical force into the gradient and the scattering forces, and based on which, we will explore the possibility of manipulating separately these two kinds of optical forces that show quite different physical attributes by engineering the optical fields and tailoring the environments and particles.

项目拟基于T矩阵方法，结合多重散射理论，发展一些计算方法和程序，研究非球形微粒、结构与复合微粒以及微粒在修饰微环境中的光学微操控，探索与此相关的新物理现象、规律及其可能的应用。具体地说，我们将从事以下几方面研究：1.基于扩展边界条件法、分立偶极近似和多重散射理论，发展一套有效算法及程序，计算非球形、非均匀及结构微粒的T散射矩阵，借以探索复杂微粒在各种光场中的新物理现象、规律及其可能的应用。特别着眼于复杂微粒内部自由度及其相关模式与共振对光力与光力矩的影响。2.基于多重散射理论，利用矢量球面波函数和矢量平面波函数的转化，发展一套处理界面附近多微粒体系的电磁波多重散射计算程序,借以探索一些修饰微环境及其诱发的共振在光学微操控中的作用及新物理效应。3.发展把光力分离为梯度力与散射力的算法与程序，并利用梯度力和散射力的分离，探索光场、环境和微粒的设计方案，实现对这两种物理本质迥异的光力的分别调控。

光携带动量和角动量，当其动量、角动量因散射而被部分转移给光场中的微粒时，微粒就感受到光场所施加的光力、光力矩。得益于激光技术的发展，利用激光光束施加的光力和光力矩可以实现对尺寸在几十纳米到几十微米量级微粒的捕陷、传输、加速、牵引等操控。本项目为非球形微粒光学操控的理论研究。我们主要在以下两方面取得的重要进展。1. 光梯度力和散射力的分解：光力应用中里程碑式的进展是对光梯度力的认识。这是诺贝尔物理奖得主Ashkin等人在上世纪八十年代提出并证实的概念，用于解释目前已广泛应用于物理、化学、生物等多领域的光镍捕获机制。近四十年来光学微操控实验得到了极大的发展，由两位分别获得诺贝尔物理奖的实验物理学家共同署名的文章中所证实的光梯度力概念，也在光学微操控领域得到广泛应用。然而，除了尺寸远小或远大于光波长的两个极限，人们尚不知如何计算作用于实际应用最广的尺寸与波长相近的粒子上的光梯度力。本项目的重要研究成果之一，就是基于广义Mie理论和平面波谱展开两个不同切入点，发展了计算光梯度力的两套理论体系。前者实现了与目前光力计算中应用最广的广义米氏理论的完美衔接，后者则可应用于推导光力的解析表达式，追溯光力的物理来源。基于我们的理论，我们在国际上首次导出一些简单光场中任意大小微粒所受的光力解析式，并在简单光场中发现光力空间分布的一些对称性及不依赖于粒子大小、材料参数的不变性，而这些对称性和不变性在总光力中无法显现。2. 宏观距离上的光牵引：我们在2011年首次发现存在光牵引力，理论结果得到其他组的实验验证。然而对球形微粒，实现光牵引需要贝塞尔光束具有大锥角。大椎角则使得光束因衍射效应而迅速发散，失去牵引能力。为解决这个两难问题，和香港浸会大学吴紫辉博士合作，通过整合多种物理机制，包括：横向各向同性、Snell定律、抗反射镀层以及光干涉原理，我们成功地在锥角小至2度的贝塞尔光束中实现了对圆柱形微粒在宏观距离（~ 14 cm）上的光牵引力。