光学微齿轮的光致旋转与传动研究

In optical tweezers, the optical forces on microparticles can be considered as the reslut of the transfer of linear momentum from the photonics of the electromagnetic field to the particle. Optical tweezers thus can be used to trap and manipulate microparticles. when a tightly focused laser beam illuminates on a optical-driven microgear, the transfer of angular momentum from the electromagnetic field to the microgear causes the optical torque exerted on the object. The microgear thus can be rotated about the beam axis. The scattering problem off the optical microgears with axial-symmetric or chiral structures will be studied in this project. The physical mechanics of optical trapping and rotation of optical microgears in tightly focused beams will be illuminated as well. Some microgears with special and reasonable structures will be designed, of which the optical trapping and rotation in tightly focused beams will be simulated using numerical model. For a single optical microgear, the stable optical trapping, rotation and equillibrium orientation will be obtained simultaneously in a single focused laser beam. The optical transmission among multiple optical microgears without any frame will be realized using multiple tightly focused beams theoretically and experimentally. The study of this project will provide necessary physical foundation for the research and development of optical micromotors and micromachines.

当光与物质发生相互作用时，光子自身的动量会传递给物体从而产生力的作用，因此实现了光镊系统对微小物体的捕获和操控。同时，当一束紧聚焦激光束作用在光学微齿轮上时，激光束自身携带的角动量使微齿轮受到光力矩的作用，微齿轮因此发生扭转或旋转。本项目将研究具有轴对称或手性结构的光学微齿轮对紧聚焦激光束的散射，阐明紧聚焦激光束捕获和操纵光学微齿轮的物理机制。设计结构合理的光学微齿轮，通过数值模拟的方法实现对光学微齿轮的动态捕获与旋转过程的仿真，并在实验中利用单光束同时实现对单个光学微齿轮的稳定捕获、方位控制以及稳定旋转。利用多束紧聚焦激光束在理论和实验上同时实现多个无固定框架的光学微齿轮之间传动控制。本项目的实施将为光学微马达和光学微机械系统的研究和发展奠定必要的物理基础。

人们越来越渴望认识微观世界，对微观世界的认识也必然会越来越丰富，因此有必要加强和加快对微观世界的改造。微机械系统的建立和微光学马达的研究必然会在很多方面加快人们对微观世界的理解和研究。总所周知，当光与物质发生相互作用时，光子自身的动量会传递给物体从而产生力的作用，因此实现了光镊系统对微小物体的捕获和操控。同时，当一束紧聚焦激光束作用在光学微齿轮上时，激光束自身携带的角动量使微齿轮受到光力矩的作用，微齿轮因此发生扭转或旋转。本项目主要研究以三球体为手柄的光学微齿轮对紧聚焦激光束的散射，阐明紧聚焦激光束捕获和操纵光学微齿轮的物理机制。设计结构合理的光学微齿轮，通过数值模拟的方法实现对光学微齿轮的动态捕获与旋转过程的仿真，并在实验中利用单光束同时实现对单个光学微齿轮的稳定捕获、方位控制以及稳定旋转。利用多束紧聚焦激光束在理论和实验上同时实现多个无固定框架的光学微齿轮之间传动控制。我们利用紧聚焦拉盖尔-高斯光束作为驱动光束，建立了LG光束操控单球体及多球体模型。考虑到三角形的稳定性较好，故选择了以三个球体同时为操控手柄，设计了光学微齿轮结构，并在此基础上对其进行数值模拟，同时也在实验中实现了对光学微齿轮的光致旋转及有效控制。并研究了光学微齿轮的吸收特性对光致旋转的影响。在实验中基本实现了光学微齿轮的物理咬合和传动。本项目的实施为光学微马达和光学微机械系统的研究和发展奠定了必要的物理基础。

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