特种激光光镊装置的光源部分的理论和实验研究

特种激光光镊的核心是利用特种激光束对微粒进行操控，本项目拟选择部分相干矢量空心光束作为特种激光光镊装置的光源，基于部分相干光理论和电磁场理论对部分相干矢量空心光束的产生、传输和作用于微粒的辐射力进行研究。首先，提出部分相干矢量空心光束的理论模型，研究该特种激光束经过高数值孔径物镜的聚焦特性和光强分布，其次，利用动态散射体、波片和多模光纤等器件实验产生部分相干矢量空心光束，研究其位相结构，判断其是否是带角动量的涡旋光束，并测量其相干度、偏振度等光学参数，将该特种激光束通过高数值孔径的物镜系统，验证聚焦特性的理论结果。最后，对作用于微粒的辐射力进行研究，通过改变入射激光束光强、束腰、相干度、偏振度等参数来提高对微粒的辐射力和捕获区域。本项目将丰富部分相干矢量空心光束的传输理论，促进部分相干矢量空心光束在光镊中的应用。预期该研究结果将为研制特种激光光镊装置研究提供科学依据。

相干性作为自由度已成为一种新颖的光场调控方法，与相干性关联的部分相干光在新型光场调控、成像、大气光通讯等领域所表现的丰富物理性质和极具潜力的应用前景而被大量研究。而具有涡旋位相的部分相干矢量空心光束与其他光束相比具有更多独特的优点，更重要的应用价值。本项目主要针对特种激光光镊装置的光源部分进行了深入研究，重点对特种激光光束的产生、传输及与对微粒的辐射力进行了研究，已完成项目预定目标。首先，提出了部分相干矢量空心光束的理论模型，并研究了其通过傍轴和非傍轴光学系统的传输特性，同时对该特种激光束通过高数值孔径物镜的聚焦特性进行了研究，通过调整入射激光束的束腰、相干度和偏振度等光学参数对紧聚焦特性的光场进行调控；其次利用动态散射片、螺旋位相片、空间光调制器和多模光纤等实验器材产生了单色部分相干矢量空心光束和复色部分相干空心光束，同时测量各项光学参数并通过调整光学参数对光场进行调控，并验证理论结果，测量了复色部分相干空心光束的光谱频移，重点对出射光束的位相结构进行研究，提出了一种新型的测量带有螺旋位相的部分相干空心光束的拓扑荷数的方法，为在低相干度条件下带有螺旋位相的部分相干空心光束提供了新的技术途径；最后，对特种激光束对微粒的辐射力进行了研究，通过改变入射激光束的光强功率、光束束腰、相干度、偏振度等参数研究高聚焦特种激光束对微粒的辐射力的影响，重点研究通过调控光学参数来获取最大的辐射力和捕获区域。本项目将丰富部分相干矢量空心光束的传输理论，促进部分相干矢量空心光束在光镊中的应用。预期该研究结果将为研制特种激光光镊装置研究提供科学依据。在本项目的资助下，共发表SCI论文19篇，其中影响因子3以上的论文7篇，申请发明专利和实用新型专利8项，已授权3项。同时获2013年国家自然科学基金面上项目一项。获苏州市自然科学论文奖三等奖一项，培养硕士研究生6名，参加国内学术会议3次，国际学术会议2次。