俘获两类不同折射率粒子的光镊原理与实验研究

对微小粒子（如细胞，胶体粒子，分子和原子等）的俘获和操纵需要应用光镊。在光学俘获中，一般将粒子浸没在液体中。粒子(如生物细胞和胶体粒子)的折射率可能比周围环境的折射率大，也可能比周围环境的折射率小。目前的光镊研究和设备主要集中在俘获同一类折射率粒子方面，不能满足一些需要俘获两类折射率粒子的应用要求。本项目主要研究：(1) 用同一台单光束光镊三维俘获两类不同折射率粒子的原理和实现方法。(2) 设计和制作特殊的光学元件，使之能够产生俘获两类不同折射率粒子所需要的特异光束。(3) 用衍射光学元件和特异光学薄膜材料提高近场光学俘获距离和俘获强度。(4) 高度聚焦的特异光束(如双环形径向偏振光和圆对称涡旋矢量光束)作用在均匀的和不均匀的球形粒子上的光学俘获特性。通过这些研究，进一步发展光学俘获理论和实现方法，为光镊技术在生物医学、化学、物理学、光谱学、微细加工等众多学科领域中的更广泛应用奠定基础。

亮光斑可以俘获折射率比周围环境的折射率大的粒子，空心的暗光斑可以俘获折射率比周围环境的折射率小的粒子。目前报道的光学镊子要么是亮光斑俘获，要么是暗光斑俘获。本项目研究了同一台光镊可以俘获两类不同不同折射率粒子的原理和实现方法。项目主要研究了如下4部分内容。. 第一，研究了圆矢量光束经过高数值孔径透镜聚焦产生单个微小三位亮斑和三维暗斑的方法。用双环型径向偏振的拉盖耳-高斯光束(R-LG11)穿过1个螺旋相位片，然后照明物镜, 产生了光壳均匀度几乎为100%的三维暗斑。计算显示：暗斑的大小、暗斑中心的清洁度、暗斑的均匀度和强度，以及光的利用效率都与光束的截断参数β有关。用双环形涡旋偏振光照明高数值孔径物镜产生三维暗斑。双环形涡旋偏振光可以看作为双环形径向偏振光和双环形角向偏振光的相干叠加。调整涡旋角和光束的截断参数可以获得光壳均匀度为67%的清洁三维微小暗斑。计算了高阶径向偏振光（R-TEMp1*）的聚焦光场，使用偶极子理论计算光场与微小粒子的相互作用力。计算结果显示随着光束的阶数p和数值孔径的增加，轴向亮光斑俘获距离增加，但是俘获深度和最大回复力减小。. 第二，研究了一串三维暗斑和三维暗斑的产生方法。分析计算了两个经环形透镜高度聚焦的径向偏振光束所产生的干涉场对瑞利粒子的俘获。结果显示，当左右两束光同相位时，可以在光轴上产生一串微小的三维亮光斑，用于俘获高折射率粒子；当左右两束光相位相反时，可以在光轴上产生一串微小的三维暗光斑，用于俘获地折射率粒子。数值孔径和通光孔径角间隔越小，俘获粒子的数目越多。. 第三，研究了深刻蚀亚波长菲涅尔波带片的衍射场。制作高数值孔径球面或者非球面透镜是非常困难的。为了克服这个困难，可以采用二元光学的方法制作高数值孔径菲涅尔波带片来替代光学俘获中的球面或非球面透镜。建立了分析高数值孔径菲涅尔波带片的矢量衍射理论。通过时域有限差分模拟比较，所建立的理论可以有效地、方便地分析高数值孔径菲涅尔波带片的衍射场分布。. 第四，搭建了同一台光镊俘获两类不同折射率粒子的实验装置。在该多功能光镊中，通过调节左右两束偏振光的相位差，可以实现亮光斑俘获和暗光斑俘获。调节系统中环形滤波器的通光环带的宽度，可以俘获单个粒子和一串粒子。. 此外，还研究了提高近场聚焦和俘获系统分辨率的方法和高效率、特殊激光的产生方法。