单光纤光镊数值仿真和光阱力计算

论文摘要

本课题对单光纤光镊系统进行了深入的理论研究。阐述了光镊的基本原理以及处理光作用力的三种物理模型：几何光学模型、光与原子相互作用模型、电磁模型。电磁场模型是本文研究的重点，单光纤光镊系统的理论仿真和光阱力的数值计算都是基于此模型。电磁模型多采用计算电磁学的方法进行处理，详细介绍了在光学领域应用十分广泛的时域有限差分（FDTD finite-difference time-domain）法，利用FDTD法数值计算了光纤探针内的传输光场和介质球的散射场分布。在此基础上，提出了一种用于单光纤光镊系统理论仿真和光阱力数值计算的新方法，它是电磁场模型的一个发展形式：采用FDTD的方法，首先数值模拟仿真光纤探针的传光特性与出射光场；进一步，介质球直接置于出射光场中，可同时数值计算得到散射场的分布；然后根据电磁场动量守恒原理，对麦克斯韦应力张量积分求得介质球所受的光作用力。利用此方法，对一系列单光纤光镊系统进行了详细的计算和分析，实现了对单光纤光镊系统的理论验证，并为单光纤光镊的优化设计提供了理论依据。介绍了单光纤光镊实验系统的设计，搭建了实用化的光纤光镊平台，实现了四种光纤光镊方案，其中有三种为单光纤光镊系统。对不同系统的捕获效果进行了比较。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 传统光镊技术
• 1.3 光纤光镊概述
• 1.3.1 平端面光纤光镊
• 1.3.2 锥形透镜光纤光镊
• 1.4 本文的研究工作
• 第2章 光镊原理
• 2.1 光镊原理概述
• 2.1.1 光辐射压力
• 2.1.2 散射力与梯度力
• 2.2 几何光学模型
• 2.2.1 几何光学模型
• 2.2.2 三维光势阱的形成条件
• 2.3 原子的冷却与俘获
• 2.4 电磁场模型
• 2.5 电磁场的数值计算
• 2.6 本章小结
• 第3章 光纤探针出射光场分析
• 3.1 光纤头的设计
• 3.2 锥形光纤模场传输特性
• 3.3 FDTD法的基本原理
• 3.3.1 微商的差商近似
• 3.3.2 Yee氏网格
• 3.3.3 Maxwell方程的差分表示
• 3.3.4 稳定性分析及数值色散
• 3.3.5 吸收边界条件
• 3.3.6 激励源的设置
• 3.4 FDTD法计算光纤头出射光场
• 3.5 本章小结
• 第4章 光阱力的计算
• 4.1 电磁场动量守恒定律与麦克斯韦应力张量
• 4.2 基于FDTD法的光势阱力计算
• 4.2.1 基于FDTD法的光势阱力计算概述
• 4.2.2 基于动量守恒定律的环路积分法计算电磁作用力
• 4.3 参数的设置对计算结果的影响
• 4.3.1 计算步数的影响
• 4.3.2 网格大小的影响
• 4.3.3 反射和干涉的影响
• 4.3.4 积分区域的影响
• 4.4 单光纤光镊系统的数值仿真和光阱力计算
• 4.4.1 锥形透镜光纤
• 4.4.2 具有抛物线形状的熔拉型光纤端
• 4.4.3 具有大锥角结构的熔拉型光纤端
• 4.4.4 具有平端面的熔拉型细光纤端
• 4.5 本章小结
• 第5章 光纤光镊实验系统
• 5.1 实验系统简介
• 5.2 利用光纤光镊实现粒子三维捕获
• 5.2.1 抛物线型单光纤光镊实验研究
• 5.2.2 具有大锥角结构的熔拉型单光纤光镊实验研究
• 5.2.3 具有平端面的熔拉型细光纤单光纤光镊实验研究
• 5.2.4 双光纤光镊实验研究
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢