光学微操控的若干理论研究

项目拟基于多重散射理论、边界元方法，发展一些计算方法和程序，从理论上研究与光学微操控相关的物理问题，并与合作者的实验研究相配合，探索新物理现象及应用。具体地说，我们将从事以下几方面的研究：1.基于多重散射理论，发展一套可有效计算界面多微粒共存体系电磁多重散射的计算程序，并结合分子动力学方法，研究衰逝波光场下的光学微操控，包括光力导致的微粒聚集行为、形成的结构及其稳定性、光场的极化对微粒聚集动力学的影响等，探索在消逝波场中与光力有关的物理现象；2.借助不同结构光束的精确描述，研究各种结构光束对单微粒和多微粒的操控，探索相关的物理规律；3.发展结合快速多极法的基于边界元的电磁散射计算程序，研究任意形状微粒在衰逝波、结构光束等各种光场中的光力、光力矩，探索相关的物理现象及其可能的应用；4.基于我们开发的多重散射与边界元计算程序，研究光力对微纳光子结构光学性质的影响；5.研究脉冲激光的光学微操控。

通过激光光束所施加的光力和光力矩，可以实现对尺寸在几十纳米到几十微米量级的微粒的操控，以及利用被操控的微粒在光场中的动力学行为，实现微型机械（micro-machine）和微型转子（micro-rotor）。目前，基于光力或/和光力矩的光学微操控已在胶体科学、物理学、生物学到医学等多个学科中成为一不可或缺的工具，以实现对微粒乃至活体细胞的一些无损操控。本项目主要研究作为光学微操控基础的光力、光力矩，探索其新物理特性。项目研究所取得的成果包括：1.发现由于多极子同时激发而诱发的光的负辐射力现象，为光学微操控提供了除了“推”和“抓”之外的第三种操控手段；2.发现 Fano 共振诱发的负辐射光力现象，可望用于金属微粒的分离与筛选；3.发现因光的滞后效应导致的负光力矩现象并证明了角度Floquet定理，分析负力矩与微粒分立对称性的关系；4.分析微粒在负辐射光力作用下的横向稳定性并进行分子动力学模拟，探索辐射光力的实际应用方案；5.研究镀层纳米金属颗粒的负光辐射力，解释其物理机理，结果可望用于金属纳米颗粒的光学微操控；6.探索手性微粒和微粒对在不同光场中的侧向力，特别是在没有明显破坏系统左右对称性情况下的侧向力，结果可望用于手性微粒（分子）的筛选与分离；7.研究纳米结构中环偶极子共振所诱发的光力，为探测环偶极子激发提供一种新的手段，同时，澄清有关电偶、磁偶、环偶中的一些物理概念及其关系。