文档介绍：重庆邮电大学
研究生论文光栅光纤开题报告
学号 S120431012
姓名刘聪
学位级别硕士
专业集成电路工程
研究方向光电传感器件与系统
单位重庆邮电大学
导师姓名刘宇
填表日期 2014 年 6 月
论文题目
光辐射力实现机械振动的机理及在哥氏振动陀螺中的应用
论文工作计划
包文
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选题背景
光波作为电磁波的一种,不仅携带能量,而且携带动量。因此,光与物质相互作用中包含着能量和动量的传递。一般常见的激光应用大多利用了光与物质间的能量传递,而光操纵技术、光捕获技术等则是利用了光与物质微粒间的动量传递。这种传递过程,表示着光波对微粒有力的作用,即光辐射力(Radiation Force)。
1873年麦克斯韦首先在理论上证明了光束与物质相互作用本身可以产生光作用力,即光辐射力[1]。但这仅仅是从电磁学理论进行证明,因为毫瓦量级功率的光束产生的光辐射力仅有皮牛量级,以当时的实验条件还无法测得皮牛量级的辐射力。随着实验条件的不断更新发展,直至20世纪,科学小组从实验角度首次测得光辐射压力。1901年,俄国物理学家列别捷夫设计实验成功测得光学辐射压力。此次实验的成果为今后学者研究光辐射力提供了实验基础。1909年,德拜提出了线偏振电磁波作用于均匀球形粒子的辐射压力理论,虽受限于当时的实验条件,但该理论的提出为日后利用光学作用力操控微粒,即光镊技术的产生提供了重要依据。
20世纪60年代,激光的出现使光镊技术的实现成为可能。1970年美国Bell实验室的Ashkin利用两束相对传播的激光光束的辐射力成功实现对乳胶颗粒的捕获,首次实现了对球形粒子的二维囚禁,展示了光学辐射力对粒子的捕获和加速[2]。1986年,Ashkin等人实现了对微观粒子的三维捕捉,其实验系统搭建简单,仅仅利用了一个高数值孔径的物镜,瞬时提高了单束激光束高度聚焦后形成三维光学势阱[3],此种可操控的微粒大小已达到微米量级,甚至只有十几个微米,且Ashkin等人还证明了利用光辐射力形成的光学势阱可以无损伤地操纵活体细胞。这种实现对粒子的三维操控系统便是光镊,这个实验的成果标志了世界上第一个单光束光镊(Optical tweezers)的出现。
光镊的发明使人类对微观世界的认识活动从被动观察变为主动操控。此后,伴随着研究的进一步扩展,光学作用力从飞牛(10-15N)到皮牛(10-12N)的大小变化和其从几十纳米到几百微米的作用范围使其能够方便地应用到微观系统,光镊技术受到了更多学者的瞩目,并取得了突飞猛进的发展。不仅局限于物理研究中,在现代科学的其他领域中,也占据着重要优势。如在原子物理研究中,可帮助研究人员捕获和排列原子,同时还可将原子冷却;在生物医学领域,由于光镊捕获微粒可减少对微粒的物理损伤,可用来研究活体细胞和生物大分子个体行为,甚至实现细胞融合,基因切割和转录。光学作用力已经在自然科学和工程技术等众多领域成为重要工具[4-6]。
除此之外,光辐射力还在航天飞行器中有着重大进展。研究人员在太阳帆中加入了光学加速设备,通过光子连续撞击太阳帆[7]获得加速和转向;阳光动力火箭也是将太阳光聚集到航天器上,利用光学作用力产生推力,使航天器加速飞行、修正航行轨道偏移量等。这种无污染的绿色能源正是科学家们持续关注和不断加以利用的焦点。
研究人员给出了描述光辐射力的多种理论,如适用于大颗粒(粒径大于波长10倍)的几何光学理论[8]和适用于小颗粒(粒径小于波长10倍)的电偶极子近似模型[9]。基于Mie散射理论的光辐射模型适用于大颗粒及小颗粒,但只能解决球形颗粒的情况。对于非球形颗粒,相应的理论模型有T-矩阵模型、分离偶极子模型和有限差时域方法[10-12]等。
对于光辐射力的研究不仅可为现有生物医学领域给予技术支持,更可在光学其他领域如精密测量、精密加工、信息处理等新兴领域实现技术融合和技术创新。甚至可根据非接触精密操作技术、非接触能量供给技术的要求,在微机械等领域利用光可实现非接触控制,从而完全可作为微机械的新动力源得以发展。
研究现状
●基于光镊的光学操作
[2],实验证实,单束激光被透镜聚焦后可以将颗粒加速,而将相同的两束激光同时通过透镜聚焦后相向传播,可以将颗粒稳定捕获。Ashkin认为,颗粒在光束附近时,会受到光对它产生的力的作用,这个力的一个分量是指向光强的方向,被称为梯度力;而另一个分量是沿着光传播的方向,称为散