一階渦旋角向偏振圓對稱艾里光束對瑞利粒子光力的研究

摘要：詳細(xì)研究了一階渦旋角向偏振圓對稱艾里光束對瑞利顆粒的光力特性。軌道角動量的引入導(dǎo)致角向偏振光束焦平面自旋角動量局域化，使得偏振奇點(diǎn)消失，原先的暗焦斑變?yōu)榱两拱?。首先使用矢量瑞?索末菲衍射積分，計(jì)算分析了不同光束參數(shù)對矢量圓對稱艾里光束的自聚焦特性影響。然后計(jì)算了玻璃微粒和氣泡在焦點(diǎn)區(qū)域的散射力和梯度力分布，分析了不同受力平衡位置的光阱剛度。研究結(jié)果表明，矢量圓對稱光束可以在縱向和橫向上高效地束縛玻璃微粒，光強(qiáng)要求遠(yuǎn)低于同等條件的高斯光束。對于氣泡，矢量圓對稱光束只能保持縱向的束縛，且對光強(qiáng)的要求要遠(yuǎn)大于玻璃微粒，而同等條件的高斯光束無法束縛氣泡。

關(guān)鍵詞：圓對稱艾里光；角向偏振；微粒操作

中圖分類號：O 436.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引 言

自20 世紀(jì)80 年代Ashkin 發(fā)明光鑷以來，光鑷已被應(yīng)用于許多領(lǐng)域，成為研究生物細(xì)胞、DNA 分子和其他粒子不可或缺的工具[1]。傳統(tǒng)光鑷一般由高斯光束（ Gaussian beam， GB） 構(gòu)成，聚焦高斯光束的梯度力會將粒子穩(wěn)定地困在束腰處[2]。許多研究都表明一些其他光束也可以用于光學(xué)操作，比如拉蓋爾高斯光可以在多平面對粒子進(jìn)行捕獲[3-4]。此外，柱矢量光束、洛倫茲?高斯光束等對微粒的輻射力也有相關(guān)的研究報道[5-6]。

將一維艾里光束做徑向?qū)ΨQ處理可以獲得圓對稱艾里光（circular Airy beam， CAB）[7]。它是一種特殊的自聚焦光束，在自由空間中傳播時，由于保持了艾里光束的自加速特性，光場能量沿拋物面匯聚于焦點(diǎn)，因此CAB 能一直保持極低的光強(qiáng)直到焦點(diǎn)前，而在焦點(diǎn)處的光強(qiáng)會突然增大到之前的數(shù)十倍甚至上百倍[8-10]。與普通聚焦光束相比，CAB 在到達(dá)預(yù)定的治療區(qū)域前（即焦點(diǎn)位置）能保持極低的光強(qiáng)分布，不會對其傳播路徑上的健康細(xì)胞造成損傷，從而能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定點(diǎn)治療的效果，可應(yīng)用于激光手術(shù)治療和光動力治療等領(lǐng)域[7]。CAB 還具有“相位記憶”特性。Fedorov 等[11] 發(fā)現(xiàn)CAB 在非線性介質(zhì)中產(chǎn)生的高階諧波能與基波保持相同的相位分布，這一特性在非線性光學(xué)中有著廣闊的應(yīng)用前景。此外，CAB 的焦點(diǎn)位置在較長一段距離內(nèi)變化時，其焦點(diǎn)的體積元素特征，包括形狀和尺寸等都能幾乎保持不變，因此CBA 可應(yīng)用于激光直寫三維微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)。與聚焦高斯光束相比，使用CAB 能夠加工出質(zhì)量更高的微納器件[12]。

在CAB 的眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，光學(xué)操控是最受關(guān)注的一個。CAB 由于在焦點(diǎn)處的光強(qiáng)突變會產(chǎn)生極大的光學(xué)梯度力，因此被認(rèn)為在光學(xué)微操作領(lǐng)域具有無可替代的先天優(yōu)勢 。2011 年，Zhang 等[13] 首先通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了CAB 能夠高效地捕獲和引導(dǎo)微粒。2013 年，Jiang 等[14] 理論研究了CAB 對瑞利粒子的光力特性，發(fā)現(xiàn)CAB的光阱剛度要遠(yuǎn)大于高斯光束。2019 年，Lu 等[15]理論研究了CAB 對米顆粒的光力特性，發(fā)現(xiàn)CAB 同樣可以有效地操控米顆粒。2022 年，Shou 等[16] 使用CAB 實(shí)現(xiàn)了在較大范圍內(nèi)操控顆粒的運(yùn)動。

然而目前CAB 的光力研究僅針對標(biāo)量光束，對矢量CAB 光力的研究還未有報道。因此本文詳細(xì)研究了一階渦旋角向偏振CAB 的自由空間傳播特性以及其對瑞利顆粒的光力特性，發(fā)現(xiàn)矢量CAB 同樣可以高效地對瑞利顆粒進(jìn)行操控，效率遠(yuǎn)大于普通高斯光束。