Оптический захват и вращение диэлектрических микрообъектов вихревыми лазерными пучками, сформированными дифракционными оптическими элементами

• Автор: Скиданов, Роман Васильевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 218 с. : ил.

Глава 1. Лазерные пучки для оптического захвата и вращения микрообъектов

1.1. Бесселевы световые пучки

1.2. Скалярные и векторные Бесселевы световые пучки

1.2.1. Скалярный непараксиальный Бесселев пучок

1.2.2. Скалярный расходящийся параксиальный Бесселев пучок

1.3. Продольная интерференция двух Бесселевых пучков

1.4 Оптические вихри, сформированные СФП

1.4.1. Дифракция Фраунгофера плоской волны конечного радиуса на СФП

1.4.2. Френелевская дифракция плоской волны с конечной апертурой на СФП

1.5. Вихревой лазерный пучок, сформированный аксиконом

1.6. Двойное световое кольцо, сформированное с помощью составного вихревого аксикона
1.7 Гипергеометрические моды
Выводы
Глава 2. Расчет сил оптического захвата и вращения микрообъектов
2.1. Расчет силы взаимодействия светового пучка с микрообъектами произвольной формы в рамках геометрической оптики

2.2. Точный расчет сил действия света
2.3. Сравнение результатов расчетов в рамках геометрооптического и электромагнитного подходов
2.4. Трехмерный расчет и измерение поля дифракции плоской электромагнитной волны внутри и снаружи микрошара
2.4.1. Выражения для компонент электромагнитного поля
2.4.2. Экспериментальное измерение распределения интенсивности света вблизи микрошара
Выводы
Глава 3. Вращение микрообъектов в пучках Бесселя
3.1. Преобразование бездифракционного Бесселева пучка
3.2. Вектор Умова-Пойнтинга для непараксиального
20 векторного Бесселева пучка
3.3. Вектор Умова-Пойнтинга для параксиального ЗЭ векторного Бесселева пучка
3.4. Орбитальный угловой момент для Бесселева пучка
3.5. ДОЭ для формирования Бесселева пучка
3.6. Экспериментальное исследование движения микрообъектов в Бесселевом пучке
3.7. Обработка экспериментальных данных
Выводы
Глава 4. Захват и вращение микрообъектов в простых оптических вихрях сформированных ДОЭ
4.1. Оптическое вращение с использованием многопорядковой СФП

4.2. Эксперимент по вращению микрообъектов в вихревом световом кольце, сформированном аксиконом
4.3. Экспериментальное исследование вращения микрообъектов в двойном кольце, сформированном ДОЭ
4.3.1 Изготовление ДОЭ по технологии электронной литографии
4.3.2. Изготовление ДОЭ с помощью фотолитографии
4.3.3. Формирование ДОЭ с помощью жидко-кристаллического дисплея
4.3.4. Формирование двойного кольца в Фурье-плоскости с помощью разных типов ДОЭ
4.3.5. Оптическое вращение с помощью двойного светового кольца
4.4. Количественное исследование вращения микрообъектов в световых пучках с орбитальным угловым моментом
Выводы
Глава 5. Захват и вращение микрообъектов в гипергеометрических пучках и пучках не обладающих орбитальным угловым моментом с использованием динамического модулятора света
5.1 Экспериментальное формирование гипергеометрических мод
5.2. Вращение лазерных пучков, не обладающих орбитальным угловым моментом
5.3. Эксперимент по вращению микрообъекта пучком без орбитального углового момента
Выводы

т.е. решить задачу дифракции на двумерном объекте.
Обычно задачу манипуляции микрообъектами рассматривают для 3D случая, например для микрообъектов сферической формы. Впервые теоретическую задачу давления света на сферу с помощью теории Ми рассмотрел Дебай в 1909 [88]. В общем случае сила давления света на микрообъект должна рассматриваться с помощью максвелловского тензора напряжений электромагнитного поля [20]. Впервые сила давления слабосходящегося гауссова пучка на сферический микрообъект с помощью теории Ми была оценена в [148], а для «острой» (непараксиальной) фокусировки гауссова пучка в [66, 227]. Пользуются популярностью и приближенные методы расчета силы, действующей со стороны света на микрообъект: метод геометрической оптики с учетом френелевских коэффициентов отражения и преломления [59], который применен для
больших значений параметра q = к0а »1, где к0 - — - волновое число

света в вакууме, а - радиус сферы, охватывающей объект, и метод градиентной и рассеивающей сил [220], применимый для рэлеевских частиц (q«l). В [189] рассмотрено еще одно приближение для расчета силы света, действующей на микрообъект: приближение связанных диполей. В [232] показано, что градиентную и рассеивающую силы можно получить из уравнений Максвелла и тензора напряжений. Полученное в [242] выражение для силы давления света справедливо при условии ф, ~п2<1, где н, и п2 - показатели преломления среды и микрообъекта.
В [242] с помощью тензора напряжений получено выражение для силы света, действующей на сферический микрообъект с керровской нелинейностью.
Для численного моделирования удобно перейти от 3D случая к двумерному случаю. Это приведет к существенному сокращению объема и