高阶洛伦兹–高斯涡旋光束的特性及其用于生物细胞捕获的研究

By combining the outstanding properties of semiconductor laser beams and the unique advantages of vortex beams, the vortex semiconductor laser beams have remarkable advantages in optical trapping of biological cells. In view of the deficiencies of the Gaussian model of semiconductor laser beam, here higher-order Lorentz-Gauss vortex beams are used to describe the vortex semiconductor laser beams, which enriches and expands the types of vortex beam. The propagation properties of higher-order Lorentz-Gauss vortex beams passing through an optical system will be exhibited. Based on the Maxwell’s equations and the mathematical method of variable replacement, the accurate calculation results will depict the distribution of the orbital angular momentum density for higher-order Lorentz-Gauss vortex beams. An experimental method will be proposed to accurately, simply, and directly measure the orbital angular momentum density and the orbital angular momentum for higher-order Lorentz-Gauss vortex beams. An optimal method will be selected to generate the higher-order Lorentz-Gauss vortex beams. The optical trapping of Rayleigh particles and the manipulation of the movement of the human red blood cells will be realized by using the higher-order Lorentz-Gauss vortex beams as optical tweezers. A non-contact extraction method of a unicellular creature without damage is to be established. By analyzing the spectral shift of the infrared absorption spectroscopy, the physical mechanism of the interaction between the higher-order Lorentz-Gauss vortex beams and the human red blood cells will be elucidated. The results of our research will confirm the vortex semiconductor laser beams to be a powerful optical tweezers and further improve the corresponding service efficiency of such optical tweezers.

涡旋半导体激光束不但秉承了半导体激光束的优越特性，而且还融合了涡旋光束的独特优点，使其在生物细胞捕获方面具有明显的优势。鉴于半导体激光束高斯模型的不足，本项目以高阶洛伦兹–高斯涡旋光束为模型描述涡旋半导体激光束，丰富和拓展涡旋光束的类型，揭示高阶洛伦兹–高斯涡旋光束经光学系统的传输变换特性；基于麦克斯韦方程组，利用变量置换等手段，实现对高阶洛伦兹–高斯涡旋光束轨道角动量密度分布的精确计算；提出一种精确、简便的直接测量高阶洛伦兹–高斯涡旋光束轨道角动量及其密度分布的方法；筛选出获取高阶洛伦兹–高斯涡旋光束的最优方法，并将该涡旋光束用作光镊来实现对瑞利粒子的捕捉和对人血红细胞的运动操控，建立了一种生物单细胞的非接触无损伤分离提取方法；通过中红外吸收光谱谱移特性阐明高阶洛伦兹–高斯涡旋光束与人血红细胞相互作用的物理机制；为涡旋半导体激光束用作新型光镊提供理论依据，并提升此类光镊的使用效能。

以高阶洛伦兹–高斯涡旋光束为模型，描述涡旋半导体激光束，揭示了高阶洛伦兹-高斯涡旋光束经傍轴ABCD光学系统的传输特性；考查了带幂指数相位涡旋的径向偏振洛伦兹-高斯光束的聚焦特性，着重分析了幂指数和拓扑荷对光束聚焦、光束中心和有效光斑尺寸的影响。先采用标量表征法，导出了高阶洛伦兹-高斯涡旋光束经傍轴ABCD光学系统后轨道角动量密度的解析表达式；后采用矢量表征法，导出了高阶洛伦兹-高斯涡旋光束非傍轴传输时轨道角动量密度相对更精确的解析表达式，分析了线偏振角和光束参数对角动量密度的影响，从而掌握了精确计算涡旋半导体激光束轨道角动量密度分布的方法。研究结果表明，为了获得最大的角动量密度，最佳选择为线偏振角为0。给定线偏振角后，为了获得最大的角动量密度，选择高斯部分的腰宽大于洛伦兹部分的光束宽度。. 计算了高阶洛伦兹-高斯涡旋光束经单缝和方形光阑衍射后的轨道角动量密度分布和螺旋谱分布，根据衍射光束的强度分布或相位分布，可以判断所携带的一个拓扑荷是正的还是负的；分析了拓扑荷、光束参数和光阑形状对轨道角动量密度和螺旋谱的影响。方形光阑情形下螺旋谱的扩展要小于单狭缝情形下螺旋谱的扩展。在方形光阑情形下，相邻螺旋谱之间的差为4，是单缝情形下的两倍。因此，方形光阑比单缝更适合用于测量涡旋半导体激光束的角动量及其密度分布。数值模拟了洛伦兹-高斯涡旋光束对于瑞利粒子产生的辐射力分布情况，分析了洛伦兹-高斯涡旋光束对瑞利粒子的捕获情况。运用光镊套件，在实验上成功实现了洛伦兹-高斯涡旋光束对酵母菌细胞、玻璃微珠、聚苯乙烯微球等的捕获和操控，阐明了涡旋半导体激光束与生物细胞的相互作用机制。. 共发表论文29篇，其中27篇被SCI收录，2篇被EI收录；授予发明专利13项，在科学出版社出版专著1部，相关成果获得2016年度全国商业科技进步二等奖、2017年度浙江省自然科学奖三等奖、2018年度浙江省自然科学奖三等奖、2019年度全国商业科技进步一等奖和2019年度中国产学研合作创新成果二等奖。