光的力学效应源自于微粒与紧聚焦光场相互作用时因激光传播方向改变而传递给物体的动量。自1986年Ashkin首次利用光场梯度力捕获微粒以来，这种被形象的称为“光镊”的技术因其非接触和无损伤等优点已成为生物、化学和物理等领域的重要研究工具。光镊是利用激光的力学效应，以强会聚光场或空心光泡与微粒相互作用，形成光学势阱，在微观尺度下实现对微粒的俘获，它源于Ashkin在1970年发现的强汇聚光场可以用来捕获微观粒子。光镊的束缚力主要来自强光场中的微观粒子与光场的相互作用，主要包含梯度力与散射力，最后在各种力的平衡下形成光阱。其中梯度力来自介质小球中的电偶极矩在不均匀电磁场中受到的力，它正比于光强的梯度，指向光场强度的最大处，它的作用效果使得粒子朝向光功率密度最大的点运动。散射力就源于光在散射过程中与光子交换动量而获得，被散射的光子动量改变来自于介质对光子的作用力，作用效果是使得粒子沿着光束的传播方向运动，散射力正比于辐射强度，方向指向光束传播方向。当各种力得到平衡时，微观粒子就会被稳定的捕获，并且随着聚焦位置的移动，被捕获的粒子也可以移动。光镊技术对微粒的捕获和操控来自于作用在微粒上的光学梯度力与光学散射力。梯度力的大小与光场的梯度成正比，且梯度力的方向指向光强最大处，因此有益于将粒子控制在某固定位置；散射力是由散射过程中的光子动量交换造成，通常情况下散射力的方向与光传播方向相同，因此会破坏光学捕获的稳定性。当作用在粒子上的梯度力大于散射力时，才能够形成稳定的光学捕获，将粒子控制在平衡位置。光镊具有非接触式操控、定位精准和远距离俘获等优点，能够实现对介质颗粒的高效捕获和操控，精确测量颗粒之间的作用力，或是作为颗粒相互作用过程中力的传感器。从技术角度看，光镊技术兼有微纳米颗粒的操纵和测量功能，可以对微纳米颗粒或者分子皮牛量级的力进行测量；从应用角度看，光镊技术将推动纳米乃至亚纳米级别高精度单分子的研究，亦或是对活细胞内甚至活体水平的研究。光镊的发明使光的力学效应走向实际应用，在医学、生命科学和物理科学等方面有越来越广泛的应用。
光与物质相互作用依赖于光场内在的性质，如能量和动量，同时也依赖于特征物理量的空间分布，如光场的振幅、相位和偏振等。光场特征物理量的调控会直接改变光与物质之间的相互作用，同时也为光学微操控带来更多的技术手段。因此，基于新型光场的光学微操控技术是光镊领域的一个重要发展趋势。例如对光场偏振态调控含线偏振、圆偏振和椭圆偏振的杂化偏振光场。传统的局域线偏振矢量光场的波面上只有不同方向的线偏振态，而线偏振态只是偏振态的一种特殊情况，更为普遍的椭圆偏振态和特殊的圆偏振态。再例如对光场相位调控的涡旋光场，这类光场的角向相位与方位角的关系可表示为exp(ilϕ)，其中ϕ表示方位角、l表示拓扑荷。与自旋角动量只能取plusmn;ħ两个值不同，每个光子所能携带的轨道角动量为lħ, 其中l可以取任意的整数。与圆偏振光类似，轨道角动量的符号指代了相对于光场方向的手性。由于封闭物理系统中的角动量守恒，当涡旋光场与颗粒相互作用时，光学轨道角动量会传递给粒子，导致粒子将绕着光轴做旋转运动，这也为粒子的灵活操控带来了一种高效和无机械扰动的方法。上述这两类复杂光场在众多领域都发挥了重要的作用，例如这些焦场调控、光学微加工、光 学微操纵、光学存储、光信息传输、光学扳手、光镊、天文学、量子纠缠和显微术等。
为了充分探索和利用矢量光场，我们希望能够灵活地生成和调控矢量光场。目前已有商用的空间光调制器提供了所需的动态生成调制功能。空间光调制器由许多像素点构成，可以根据加载在其上的计算全息图对光场的相位或振幅（依空间光调制器的型号而定）进行调制。但是目前利用空间光调制器生成矢量光场的效率仍然偏低。因此，如何在兼顾灵活性的同时，提高矢量光场的生成效率，则成为一个亟待解决的问题。本课题将研究基于复杂光场的光学微操控技术，理论上利用理查德-沃尔夫矢量衍射理论和偶极近似模型计算微粒在紧聚焦复杂光场中的受力，分析其光学捕获稳定性和运动模式；实验上搭建复杂光场的生成系统和光镊系统，实现对微米级介质颗粒的三维稳定捕获并测量光力和光学势阱，分析在复杂光场的光学模式对粒子动力学行为的影响。
- 选题背景和意义：
- 文献综述（或调研报告）：
随着激光技术的发展，人们利用偏振光感知外界的手段越来越丰富。在光的基本属性参量中，频率、振幅、相位已被深入研究，其调控得到了广泛应用。光场的常规调控主要涉及相位和振幅，其调控方法和技术取得了很大进展，但偏振相关的调控近年来才受到关注。由于矢量光束具有非均匀偏振分布的特质和潜在的重要应用价值，矢量光束的偏振调控以及偏振特性应用探索已成为当前的研究热点之一。[1]
偏振态空间均匀分布的光场被称为标量光场，相应的，偏振态空间非均匀分布的光场被称为矢量光场。增加了偏振自由度的光场会对作用力有更多自由度进行调控，并可根据实际情况进巧有针对性的调控选择。矢量光场因其不同于标量光场的衍射和聚焦特性，被广泛运用在焦场调控、表面等离激元激发、微粒的光学捕获等领域。[2]
从惠更斯菲涅尔原理和基尔霍夫衍射理论发展过渡到标量衍射理论，人们对于经典衍射理论进行了完善的研究。然而在紧聚焦情况下，光束经过高数值孔径透镜进行聚焦，这种聚焦与普通聚焦相比会产生一个更小的光斑，大小可以达到波长量级。这个特殊的性质可以有效地提高聚焦成像系统的空间分辨率。更重要的是，矢量光场的紧聚焦与普通聚焦相比还会产生一个很强的纵向场分量，形成一个具有三维空间分布的焦场。此时，聚焦光束的偏振态分布已经发生了很大的变化，原来的标量衍射理论显然已经不能准确地表述了。为了计算紧聚焦后的场分布，1959年，B. Richards和E. Wolf基于Debye近似，发展了矢量衍射理论；2000年，K. S. Youngworth和T. G. Brown成功地将这一矢量衍射理论用于计算径向和旋向偏振光的紧聚焦场分布。此后，这一理论被命名为Richards-Wolf矢量衍射理论，广泛使用于计算偏振光场的紧聚焦场分布。[3]
应用上述的理论，可计算得出：径向偏振光聚焦在焦场处只存在沿r偏振的径向分量和沿着z偏振的纵向分量，没有沿着旋角向的分量。对于圆偏振入射光场，其在空间各个方向的分布是等同的，其聚焦场呈现出中心对称的强度分布。例如拓扑荷为1的右旋圆偏振祸旋，纵向光强呈现出二维中空状分布，具有拓扑荷为1的螺旋位相，携带光学轨道角动量。横向场为一个聚焦实心光斑旳分布，主瓣由Bessel函数决定。对于入射的l=2右旋圆偏振涡旋光场，聚焦场总光强是实心光斑，此时的纵向场为一个实心光斑分布，而横向场变为中空分布。[4]
光镊是一种用紧聚焦光场捕获微观粒子的装置。[5]光镊系统中光与物质的相互作用力包含两类，一类是由光强梯度导致的梯度力，还有一类是由光的辐射压力导致的散射力，两种力的方向不同。当梯度力大于散射力时，微观粒子就会被稳定地捕获，并且随着聚焦位置的移动，被捕获的粒子也可以移动。然而由于梯度力和散射力都是与介质的类型密不可分的，传统的光镊系统有一定的局限性。[6]
为突破传统光镊的局限，提出了一种利用三维任意光子自旋来操纵纳米粒子运动行为的方法。[7-10]为了在衍射受限的紧聚焦光束中实现可控制的自转轴定向和椭圆度，需要的光瞳场是通过分析推导得出的，通过逆转位于高NA透镜焦点的三个偶极子的辐射模式，并通过自制的VOF-Gen实验生成。此外，计算了具有球形或椭球形和不同空间方向的瑞利粒子在可调谐自旋作用下的光学力和本征力矩。对于椭球形纳米粒子，力矩将使其主轴与主轴在垂直于光子自旋的平面上的投影平行。对于球形纳米颗粒，扭矩将迫使颗粒绕轴旋转。因此，通过调整光子自旋的空间取向，控制纳米粒子的稳定和旋转取向是可行的。[11-13]考虑到光子自旋在捕获光中的取向和椭圆度，从理论上计算了不同空间取向的球形/椭球形纳米颗粒所受的光学力和本征力矩。可调谐的光子自旋与纳米粒子之间的相互作用不仅使三维捕获成为可能，而且使纳米粒子的稳定定向、旋转定向和旋转频率的精确控制成为可能。[14]此外，旋转方向和旋转频率都可以通过调节焦场的椭圆度来调节。这种通用的诱捕方法为光学诱捕开辟了新的途径，并在许多科学领域得到了应用。[15]
参考文献：
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