对结构光束和多种光学微结构相互作用的理论研究

Recently, due to the proliferation of fabrication techniques such as two-photo polymerization, various complex nano-structures were produced. These nano-structures are deployed not just to shape the beam, but also to tailor the near field optical intensity, thus novel optical phenomena will be produced based on them, which enrich optical micro-manipulation to be extremely valuable to areas such as physics, chemistry, biology, medicine, and engineering. This project intends to theoretically investigate the interaction between structural beams and complex nano-structures. Based on substantial theoretical methods such as multiple scattering theory, the irreducible tensor method, multipole expansion theory, and also the numerical simulations, concrete research tasks include: spin-orbit interaction used in the interaction between structural beams and nano-structures, and also in the production of vortex fields; produce efficiently large optical torque by taking the internal degrees of freedom of the double-layer structures into account; investigate the conservative and non-conservative forces imposed on Mie particles by considering factors such as imaginary part of permittivity, aberration of the focus due to water/oil mismatch etc.; the relationship between optical force, optical torque and optical momentum, optical angular momentum on a general particle immersed in generic monochromatic free-space optical field, and analytically investigate the physics of optical torque based on a multipole expansion theory for optical torque up to arbitrary order of multipoles. The research contents in this project are not only frontier problems in optical micro-manipulation, but also provide reliable theoretical basis and important reference values for the application of optical micro-manipulation.

近年来，快速发展的制造技术如双光子聚合等技术，使得人们可以制造出各种复杂形状的微结构。微结构不仅可以塑造光束，也可以重新分布近场强度，所以对其的研究可以产生新颖的光学现象，使得光操控在物理、化学、生物以及医学，工程等方面发挥着巨大的作用。本项目围绕结构光束和复杂微结构的相互作用展开，基于多重散射理论、不可约张量法、多极展开法等多种理论工具，并结合数值模拟，将对以下内容进行研究：对自旋-轨道耦合在光与物体相互作用、产生结构光场中的作用进行分析；利用双层结构内部自由度产生高效光力矩；介电常数虚部、水/油界面球面差等因素对Mie粒子所受保守力和非保守力的影响；分析在任意光场中，作用在任意粒子上的光力、光力矩与光动量、光角动量的关系并基于力矩的任意阶多极展开解析分析光力矩物理机制。本项目的研究内容是当前光学微操控的前沿问题，为实验提供了可靠的理论依据，也为光操控的实际应用提供了重要的参考价值。

光学微操控提供了进入微观世界的强大工具，而之所以能取得令人称奇的成就，则与对微粒控制的高度准确性及光力的“巨大性”分不开。近年来快速发展的制造技术，使人们可以制造出各种复杂形状的微结构，对其的研究可产生新颖的光学现象。本项目基于多重散射理论、多极展开理论、散射光角动量模式分析、本征模式分析等方法，围绕结构光束和复杂微结构的相互作用进行了一系列研究。我们在自由空间单粒子光牵引领域取得重要突破，将逆光传输距离由微米量级提高至宏观厘米量级。结合基于快速傅立叶变换的数值计算和基于多极展开的解析分析，我们对影响梯度力、散射力的因素做了详尽的分析。发现梯度力和散射力会额外有2N度的奇或偶旋转对称性，这与入射场的N度旋转对称性不同，称为隐对称。且当三束同偏振平面波呈120度角间隔照射球体粒子时，梯度力、散射力各自的图样不会随偏振、粒子大小、材料而改变，变化的只是数值大小。根据这个特点，调节入射光偏振等参数来控制梯度力和散射力的相对强弱，甚至完全关掉散射力或梯度力，而只保留另一种力，实现自由调控光力的保守性及光镊的俘获位置。在增益材料与损耗材料或无损耗材料(低介电常数)构成的双层结构中，在回音壁模式被激发时，增益材料层的加入可以有效增强结构内部多重散射，将损耗材料层或无损耗材料层的光力矩提高一个量级(与单层比)。结合角动量频道分波展开分析和能带结构本征模式分析，研究了纳米螺旋线的宽频负力矩效应，结果表明负光力矩的产生是由于螺旋线特殊的本征模式激发导致，加深了对手性结构中光自旋轨道耦合的理解。采用携带轨道角动量的拉盖尔高斯光束解决带有NV色心金刚石的热损耗问题，使光镊在实际应用如光机、量子技术中的发展更近了一步。研究了悬浮在环形光束中粒子的位移探测灵敏度，有助于各种精密测量。给出了任意单色光场中作用在任意粒子上的光力和光力矩的完整多极展开解析表达式。解决了自旋线动量和光力关系的争议，光力只直接和轨道线动量有关。同时逐步在光致自旋流方向实现跨学科融合。项目结果为光学微操控提供了更多自由度，为实验提供了有效的参考资料，将在生物工程、细胞手术、光机微器件等方面发挥重要作用。