矢量贝塞尔波束对复杂各向异性粒子的电磁散射及微操纵特性研究

Compared to the traditional micro manipulation technique based on the Gaussian beam, the micro-manipulation technique based on a vector Bessel beam can achieves a higher efficiency and stability. Different from the isotropic particles, anisotropic particles in the potential well demonstrates several brand new features dates back to its properties of anisotropy. The analysis of scattering properties as well as physical mechanism between a vector Bessel beam and anisotropic particles will provide a significant theoretical support and practical guidance for related technologies, including particle characteristics, particle diagnosis and micro manipulation technology. It probably leads to some brand-new applications.. Recently, a new T-matrix algorithm is proposed by us, which can be used to high efficiently analyze the interaction between structured electromagnetic beam and anisotropic particles. On this basis, the present project is proposed to improve the T-matrix method for a systematic theoretical analysis about the interaction between a complicated anisotropic particle and a vector Bessel beam. And then by using a combination of theoretical analysis and numerical simulation, electromagnetic scattering properties of a series of typical regular/irregular anisotropic particles illuminated by an arbitrary incident vector Bessel beam, as well as the radiation force and torque exerted on the anisotropic particles by a vector Bessel beam, will be analyzed. It is expected to clarify the effects of beam features of vector Bessel beam and parameters of anisotropic particle on the scattering properties, the radiation force and torque.

相对于传统的高斯波束，利用无衍射矢量贝塞尔波束对粒子进行操纵有望大大提高对粒子的操纵能力和效率；不同于各向同性粒子，各向异性粒子由于其介质的各向异性使其在波束势阱中的运动具有很多全新的特点；开展矢量贝塞尔波束对复杂各向异性粒子的散射特性、辐射力及扭矩研究，将为各向异性粒子的探测、诊断及微操纵技术提供重要的理论依据，并有望实现全新的功能。.最近，我们提出了一种可以高效率高精度分析电磁结构波束与各向异性粒子相互作用的T矩阵算法。本项目拟在此基础上，进一步完善矢量贝塞尔波束与复杂各向异性粒子相互作用的T矩阵算法；然后采用理论分析与数值模拟相结合的方法，通过详细研究几类典型规则/不规则各向异性粒子对矢量贝塞尔波束的散射特性、辐射力及扭矩，揭示波束及粒子的各种参数对电磁散射特性、辐射力及扭矩的影响，有望明确各向异性粒子对矢量贝塞尔波束的散射规律，阐明矢量贝塞尔波束对各向异性粒子的微操纵规律。

不同于各向同性粒子，各向异性粒子由于其介质的各向异性使其在电磁波的散射及在光镊势阱中的运动具有很多全新的特点。相对于传统的高斯波束，贝塞尔波束具有自聚焦、自重建、方向性好等新颖的特性。在此背景下，本项目从矢量贝塞尔波束的特性分析、贝塞尔波束与各向异性粒子相互作用的理论及算法研究、各向异性粒子对贝塞尔波束散射特性及贝塞尔波束对微粒的力学特性分析等多个方面开展了研究工作，取得了丰富的创新成果。发表相关论文20篇，其中16篇已被SCI检索。参与编著学术专著2部。参与承办国际会议1次。受邀作大会主题报告1次，大会报告2次。协助培养研究生6名。获得陕西省高等学校科学技术奖一等奖1项。.基于电磁波矢量波动方程，对贝塞尔波束的矢量性进行了分析，明确了不同参数下矢量贝塞尔波束电磁场分布的差异性。基于区域近似原理，给出了波束因子的区域近似算法；基于积分算法，提出了一种求解波束因子的解析算法。通过数值重建原场，明确了区域近似法在波束因子求解上的局限性。基于Maxwell方程组，推导了各向异性介质内部电磁场的矢量波函数展开，给出了内场展开的准矢量波函数形式，为研究各向异性介质中波束的传播提供了一种新的方法。基于扩展边界条件法，结合波束因子的求解，建立了各向异性粒子与矢量贝塞尔波束相互作用的T矩阵理论算法；基于平面波角谱理论，实现了矢量贝塞尔波束的数值重建，建立了各向异性粒子与矢量贝塞尔波束相互作用的高阶时域有限差分理论算法；通过数值仿真，详细分析了各种典型形状粒子对矢量贝塞尔波束的散射特性，分析了强聚焦贝塞尔波束对粒子的力学特性，揭示了波束及粒子的各种参数对电磁散射特性、力学特性的影响。.本项目研究中取得的相关成果，特别是用以描述各向异性粒子与调控电磁波/结构激光波束相互作用的T矩阵理论及高阶时域有限差分算法，将为各向异性颗粒的光散射测量、光学微操纵技术、微纳目标的高分辨成像等提供重要的理论基础。