【摘 要】
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涡旋光束是一种具有螺旋波前相位结构的新型光束。光束具有呈暗中空环形光强分布和携带有定量轨道角动量的特性使其可以囚禁和旋转胶体粒子甚至活体细胞。涡旋光束诸多新颖的
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涡旋光束是一种具有螺旋波前相位结构的新型光束。光束具有呈暗中空环形光强分布和携带有定量轨道角动量的特性使其可以囚禁和旋转胶体粒子甚至活体细胞。涡旋光束诸多新颖的特性,掀起了一阵研究的热潮,现已被应用于光通信、量子信息编码、微测量、生物医学和显微成像等各个领域。相比于传统的高斯光束光镊,涡旋光束光镊不仅可以束缚高折射率的吸收性微粒,微粒在中空光强中因没有热效应而不会受到损害。本文是基于对涡旋光特性研究的基础上,研究涡旋光在光镊领域的应用。结合涡旋光和光镊技术,提出一种利用空间光调制器(SLM)的计算全息法实现一个相位图产生多涡旋光束阵列的技术。通过调制SLM上的相位图,可以任意控制阵列涡旋光的出射角度,并在纵向的不同平面内聚焦,从而形成任意空间结构的势阱以囚禁和操纵微粒。此外,调制器的灵活性使得势阱的空间结构可以动态的变换,提升了涡旋光操纵的自由度和灵活度。系统高效、灵活、实时,提升了光镊技术的应用范围和使用效率,也为涡旋光阵列应用于超分辨显微镜提供了一种可能。论文的主要研究工作如下:首先,介绍了涡旋光束和光镊技术国内外的发展现状,从几何模型和电磁场模型分析光镊技术的原理,以及其在光操纵中的实现和在生物学、细胞学等领域的应用。其次,从电磁场和波印廷矢量的角度出发,分析涡旋光束的基本原理和相关特性,介绍了几种常见的涡旋光的类型和应用。对比几种涡旋光的产生方法之间的优劣性。紧接着结合涡旋光与光镊技术,理论上分析涡旋光对粒子操纵的原理,并简要介绍LCOS-SLM调制涡旋光的原理。同时基于LCOS-SLM的计算全息法原理,设计出一个方案可以任意调制涡旋光阵列的出射角度和聚焦平面。最后,根据本文提出得设计方案,进行仿真和实验对比,对实验结果进行分析。实验结果基本与理论相一致,实现了阵列涡旋光在二维平面的任意结构分布。本文最后总结了工作中存在的问题及改进,以及展望该创新在超分辨系统中的应用。
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