人工电磁介质及光学微操控若干理论研究

论文摘要

电磁波在介质中传播,遵从麦克斯韦方程组,对于介质而言,两个重要的光学参数是介电常数和磁导率,介质材料中的介电常数和磁导率的空间分布决定着其中传播的电磁波的状态和性质。Veselago提出了负折射材料的概念,并讨论了它所具有的许多奇特的电磁性质,然而由于自然界中存在的介质材料是极其有限的,直到Pendry等人的工作,才让这一领域得到了科学家的重视,人工电磁介质的概念就此产生。人们设计出许多的人工结构来产生双负的介电常数与磁导率,现在从微波段到可见光,都有相应的人工电磁介质材料来实现负折射现象。人工电磁介质与变换光学的结合,更是产生了许多具有奇特电磁性质的器件,变换光学已经成为一种按需要设计介电常数与磁导率空间分布的理论设计方法,它最著名的应用就是隐身衣。如何使用电介质材料控制电磁波的传播,是电磁波与介质相互作用的一个方面,另一个方面是电磁波对于介质存在电磁力的作用,如何使用电磁波微操控微粒子已经成为一个重要的研究领域,激光的发明使光学微操控领域得到了迅速的发展。Ashkin提出的光镊目前在生物、医学等领域得到了广泛应用,光镊是利用高聚焦光束的梯度力与散射力之间的平衡俘获粒子并操控微粒子,人们相继使用了许多类型的激光光束优化光镊。在光镊被提出后的几年里,光学束缚也被提出,它是讨论入射光束与多粒子体系相互作用的情况,粒子之间由于多重散射而产生了显著的电磁力,把每个粒子束缚在一起形成一个稳定的结构。最近几年,人们发现了光学吸引现象,它是完全由于电磁散射的作用产生指向光源的电磁力,起源于被入射场激发起的多极子之间的干涉效应。目前,光镊、光学束缚以及光学吸引成为光学微操控的三种方式。本文主要讲述在人工电磁介质和光学微操控这两个领域做的几个工作,全文按照这两个研究方向组织章节。第一章是绪言部分,简单介绍科研工作的背景。主要集中在：人工电磁介质的应用与实现；简单介绍变换光学,它作为一种理论设计方法,可以设计出许多具有奇特电磁性质的人工电磁介质；光学微操控的实现方式和应用领域。第二章讲述科研中使用到的理论方法,主要是Mie多重散射理论,这种理论方法适用于解决二维无限长圆柱体以及三维球形散射体的散射问题。这一章只讲述三维球体的多重散射理论,对于二维无限长圆柱体的多重散射理论可以依据相同的方法得到。依据Mie多重散射理论,可以得到许多物理量,这里主要推导散射体的微分散射截面,散射体受到的光学力。第三章与第四章讲述在人工电磁介质研究方面的两个工作。第一个工作是基于变换光学的方法,设计超聚焦天线；第二个工作是给出二维电磁吸收体的一种简单设计方法,使用多重散射理论,严格计算人工电磁吸收体在横磁模式下的电磁散射特性,然后利用分层结构和等效介质理论,分两步给出可能的实验设计。第五章与第六章讲述光学微操控理论研究方面的工作,一个工作是研究一维非衍射Airy光束对微粒的光学力作用。首先是利用角谱理论把非衍射Airy光束按矢量球波函数展开,然后可以方便的使用Mie散射理论严格求解微粒受到的光学力,从而研究非衍射的Airy光束对微粒子的操控。另一个工作讨论大尺寸球体的光学吸引力作用,使用Mie散射理论及遗传算法。最后是结语部分,主要总结一下所做的科研工作,并对未来的工作做一个展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 介质控制光传播
• 1.1.1 光子晶体
• 1.1.2 奇异电磁介质
• 1.2 光操控介质粒子
• 1.2.1 光学俘获（Optical Trapping）
• 1.2.2 光学束缚（Optical Binding）
• 1.2.3 光学吸引（Optical Pulling）
• 1.3 论文结构
• 参考文献
• 第二章 理论方法
• 2.1 多重散射理论
• 2.1.1 矢量球波函数
• 2.1.2 空间任意场的展开
• 2.1.3 多重散射问题的求解
• 2.2 多重散射理论的应用
• 2.2.1 微分截面
• 2.2.2 光学力与光学力矩
• 2.2.3 光子晶体能带计算
• 参考文献
• 第三章 基于变换光学的聚焦天线
• 3.1 引言
• 3.2 理论分析
• 3.3 有限元数值模拟分析
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 人工电磁吸收体的研究
• 4.1 引言
• 4.2 理论分析
• 4.3 简单的实验设计方法及结果分析
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 一维Airy光束的光学微操控研究
• 5.1 引言
• 5.2 Airy光束的描述
• 5.3 光学力的解析表达式
• 5.4 数值模拟结果分析
• 5.5 小结
• 参考文献
• 第六章 大尺寸球体光学吸引力研究
• 6.1 引言
• 6.2 理论分析
• 6.3 计算入射平面波的分波展开系数
• 6.4 计算大尺寸球体的Mie散射系数
• 6.5 应用遗传算法搜索最大的干涉效应
• 6.6 数值模拟及结果分析
• 6.7 小结
• 参考文献
• 结语
• 博士期间所作的工作
• 致谢