无梯度光场中的光学牵引力研究

A backward pulling force rather than a forward pushing force can be exerted on an object by an optical beam that is non-gradient along the propagation direction. This novel phenomenon is proposed very recently and is extremely important both in fundamental physics and applications. In this project, we will try to clarify the underground mechanisms, requirements for the occurrence, and its changes with other parameters of this abnormal force. Using the scattering theory analysis, full vector numerical simulations, and combining with experimental methods, we aim to find the general properties of the optical forces exerted on objects, and then explore the necessary conditions for the optical pulling force, and dig out the intrinsic relations between the pulling force with the optical and structual parameters of the objects. Using the passive amplification mechanism and special Bloch modes, we will emphasis on the investigations of conditions and properties of optical pulling force in a non-uniform and periodic photonic crystal background, and try to setup a physical model for the optical pulling force with the properties of background medium. Based on the fact that a local intensity gradient will be introduced when a scatter appears in a non-gradient field, we propose a new concept of self-pulling effect. Explaining clearly the requirements of generation and the changing properties of self-pulling effect are our main targets in this part. Meanwhile, based on the investigations mentioned above, we will also propose reliable configurations for the achievement and even applications of optical pulling force in practice. This project is very important for both the fundamental and application researches of optical pulling force.

沿传播方向无梯度光场中，物体受到与传播方向相反的光学牵引力，而非同方向的推力，是光与物质相互作用中表现出来的兼具重要理论和应用价值的新现象。本项目旨在阐明无梯度光场中光学牵引力的物理机制、产生条件、以及随外界参数的变化规律。利用散射理论分析、全矢量数值模拟以及实验研究相结合的方法，揭示无梯度光场中物体受力的一般规律，探明光学牵引力产生的必要条件以及对光场的特殊要求，挖掘牵引力与物体自身电磁参数、结构参数之间的内在联系。利用被动光场动量放大以及周期结构中特殊的布洛赫模，研究非均匀背景和周期结构背景中光学牵引力的产生、特性以及变化规律；建立光场牵引力随背景介质参数变化的物理模型。利用散射体自身引入局部光场梯度这一手段，研究无梯度光场中物体的自牵引效应，阐明其产生条件，清楚其变化规律。同时在实验上建立可靠的光场牵引力实现方案。本项目的实施，对光学牵引力的基本原理和应用研究都具有重要意义。

基于光力效应的光学微操控在众多领域都有着不可替代的重要价值。本项目深入开展了基于光力的光学牵引效应研究，并取得了重要进展。深入研究了光子动量及其与物体动量之间的传递规律，澄清了物体所受光力计算中的几个疑点，为光力的理论研究和技术应用提供了更坚实的基础。研究了周期背景中布洛赫波模式的动量特性，深刻揭示了周期光子晶体结构中自准直模式实现光学牵引力的物理本质，提出了自诱导反作用光学牵引力的新概念，开辟了在微纳结构中研究光学牵引力的新方向。研究了波导通道中光学牵引力的基本特性；提出了基于模式转换机理的光学牵引力实现方法，分析了导模动量的特性，弄清了其中牵引力的物理本质，讨论了光力调节方法；提出了基于通道衰减模式的“光学吸管”效应，研究了其产生光学牵引力的基本原理和变化规律，为光力的应应用提出了新的方法。研究了微纳结构中的精确光学捕获以及纳米颗粒之间的相互作用；研究了金属和电介质纳米颗粒在纳米梁柱结构中多模微腔的捕获特性，分析了微腔的结构与局域模的关系，得到了不同模式的捕获特点。研究了金属衬底上两个纳米颗粒之间的束缚力、反束缚力、以及二者之间的转化。研究了波导微环腔耦合系统中微环的稳定捕获特性，及其作为光学微马达的基本原理和增强力矩特性。研究了光场自旋角动量以及轨道角动量对物体转动时的矢量合成特性。研究了光场的汇聚效应、调控方法对光力的影响。研究了线偏振高斯光束经过光纤端面超表面的调制作用，及其产生偏振方向旋转、径向偏振、角向偏振、及其它复杂矢量偏振模式的特性。项目实施过程中，发表20余篇高水平学术论文，培养10余名博士后及研究生，开拓并引领了光力研究领域的新方向。项目研究成果对光操控领域理论和技术发展都有重要的意义和价值。