Au-PS型Janus微球在涡旋光镊中运动行为的研究

Optical tweezers is three-dimensional gradient force trap generated by highly focused laser beams to wirelessly manipulate micro- and nano-particles. Optical forces exerted on trapped particles not only relate to the physics properties of particles, but also relate to the optical properties of laser beam. This project intends to use the half Au-coated polystyrene microspheres (namely Au-PS Janus micro-particles) as the experimental sample, and use vortex optical tweezers with orbital angular momentum as the experimental method. Utilizing strong reflection, scattering effects of metal films, and the gradient force, scattering force exerted on particles by non-uniform light field, the controllable motions of Janus micro-particles can be achieved in vortex optical tweezers. The research includes: (1) Construct the vortex optical tweezers system;(2)Achieve to capture and manipulate the Janus micro-particles; (3) Based on the electromagnetic field theory, optical force and torque exerted on Janus particles in vortex optical tweezers can be strictly solved. With Newton equations, we will numerically analysis the dynamic process of Janus micro-particles. And it is a task of this project to explore the physical mechanism of light-Janus micro-particles interactions, providing new methods to manipulate various mechanical motions of light-driven micro- and nano- particles.

光镊，是由激光光束强会聚形成的三维梯度力势阱，用于无线操控和捕获微纳米粒子。施加在被捕获的粒子上的光力不仅仅依赖于粒子的物理性质，还与激光光束的光学性质密切相关。本项目拟以半裹金膜的聚苯乙烯微米球型颗粒（即Au-PS型Janus微球）作为实验对象，以涡旋光镊作为实验手段，利用金属薄膜层对光的强烈反射和散射效应，以及颗粒在非均匀光场中的梯度力、散射力等，实现Au-PS型Janus微球在涡旋光镊中的可控运动。研究内容包括：(1)构建涡旋光镊系统；(2)实现涡旋光镊对Janus微球的捕获和操控；(3)基于电磁场散射理论，对涡旋光镊中Janus微球的光力和光力矩进行严格求解，并结合牛顿力学方程，数值分析Janus微球的动力学过程，探索其相互作用的物理机制，旨在为操控这类光驱动微纳米粒子运动形态的研究提供新方法和新技术。

本项目预解决的关键科学问题是研究Au-PS型Janus微粒在涡旋光镊中动力学行为。.按照项目计划，进行了如下两个部分研究：.一、系统地研究了Au-PS型Janus微球在不同激光功率和不同拓扑荷值的涡旋光场中的运动行为。.主要结论：（1）Janus微球做同步运动，其平动速度和转动速度是一致，且随着功率的增加而增大。（2）在光场拓扑荷值较低q<8时，Janus微球在光阱中很难被稳定捕获；当光场拓扑荷值较高q>8时，Janus微球在光阱中发生旋转。（3）当光场轨道角动量方向和金面方向一致时，Janus微球的旋转速度变大，反之旋转速度变小。.二、理论计算了Au-PS型Janus微球在涡旋光场中光力和光力矩，通过分析得出稳定旋转取向角与实验基本吻合。.本项目通过实验和理论揭示了Au-PS型Janus微球在涡旋光束中运动丰富多彩的运动行为，为后续探索微纳米颗粒在溶液中精细运动控制提供了实验基础和理论支撑。