周期背景中的增强光力与光操控研究

In traditional optical manipulation schemes, only the target object and the light source are considered, while the effect of background media is not the focus of investigation. This limits some of the capacities of optical manipulation. In this project, the effect of the background medium is fully considered to improve the optical manipulation properties. Here the periodic background medium (including defects) is used because it can provide the richest optical modes and controlling freedoms. The properties of optical force and its effect to the optical manipulation realized by the unique Bloch modes will be investigated systematically. Using both the methods of numerical simulation and theoretical analysis, we will explore the role of the lattice momentum in the process of optical manipulation and the tune methods. This will provide a totally new way to enhance the optical force and manipulation. We will investigate the photophoresis force when microfluidics and optical absorption are introduced, and the combined manipulation of optical force and photophoresis. We will construct a theoretical model and proper numerical simulation algorithms to comprehensively investigate the physical mechanism behind the special manipulation phenomena in the periodic background. According to all those efforts, the enhanced and highly precise optical manipulation realized by the combination of unique Bloch modes, optical force and photophoresis will be obtained. This project is significantly important for both the fundamental and application researches of optical pulling force.

传统的光操控方法通常只考虑入射光场与被操控物体这两个对象，而对背景介质的影响重视不够，从而限制了光操控的某些功能与特性。该项目将深入研究除此二者之外的背景介质对光力和光操控特性的影响。此处选择周期结构（也包括带缺陷的周期）作为背景介质的原因在于其能够提供最丰富的光场模式以及调控手段。研究周期结构中特殊布洛赫模式作用下的光力特性及其对光操控的影响，利用数值模拟与理论分析相结合的方法揭示晶格动量在光操控中的作用机制及其调制方法，从而为光力与光操控的研究开辟新的思路。深入探索存在光吸收时的光泳力特性，及其与光力协同作用时产生的光操控现象。建立正确的理论模型以及合适的数值模拟算法和平台，系统研究特殊操控效应的物理机制。最终研究清楚周期背景中布洛赫模式激励下光力与光泳力协同驱动时的增强光力以及精密光操控特性。本项目的实施对光学操控基本理论以及应用研究都有重要意义。

传统的光操控只考虑入射光场与被操控物体这两个对象，而对背景介质的影响重视不够，限制了光力与光操控性能的进一步发展。该项目深入研究周期结构的背景介质对光力和光操控特性的影响，研究周期结构中特殊布洛赫模式作用下的光力特性及其对光操控特性，利用数值模拟与理论分析相结合的方法揭示晶格动量在光操控中的作用机制及其调制方法，从而为光力与光操控的研究开辟新的思路。项目所取得的代表性成果包括如下几方面：..（1）提出了基于动量拓扑结构调控的光学牵引力。我们通过深入研究发现，通常介质中平面波之所以难以产生光学牵引力，根本物理原因在于普通介质中电磁波动量拓扑形成凸面结构，目前整个领域的研究都是在此条件下开展的。项目提出够构造一种与普通介质互补的新介质，使其中电磁动量的拓扑结构为凹面构形，则轴向动量要比离轴时动量分量小，散射过程中能够自然的实现光学牵引力。..（2）提出了拓扑光子结构中多粒子共振捕获。在光操控中，光与物体之间的共振能够极大增强光力，从而提高光操控效率。但共振也导致光场能量的强散射损耗，以至于不能对后续粒子进行操控。我们提出利用拓扑光子结构对杂质的免疫特性，实现多共振粒子的同时操控，共振操控粒子的数量提高一个数量级。..（3）提出了基于周期结构布洛赫模的精密光捕获和光操控。我们证明了周期结构中布洛赫模可以产生一系列的亚波长光势阱，并且可以通过调节入射波长来寻址，从而实现对粒子的定点捕获。而在环状周期结构中，利用模式局域以及波长寻址功能实现超低浓度样品的快速捕捉和定位。..（4）阐明了该领域所面临的挑战和存在的科学问题。深入细致分析了光力与光操控领域的最新进展、发展趋势以及亟待突破的关键科学问题，为该领域的发展理清了思路，为更多研究者进入该领域提供了指导作用。..这些开创性的新概念和新原理，不仅极大深化了为光操控理论，也为先进的光操控应用技术发展提供了新的思路。