西安光機(jī)所在光學(xué)捕獲理論研究方面取得重要進(jìn)展

中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室姚保利研究小組早在多年前就開展了光學(xué)微操縱技術(shù)的研究，已掌握了激光光鑷、飛秒激光光刀、顯微光譜儀等核心技術(shù)，出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的激光光鑷產(chǎn)品，并成功投放于市場(chǎng)。近期該研究小組又瞄準(zhǔn)特殊光束及特殊微粒光學(xué)捕獲力計(jì)算的理論問題，進(jìn)行了深入的研究，取得了一系列具有創(chuàng)新性的研究成果，先后在美國光學(xué)快報(bào)（Optics Letters）、美國物理評(píng)論A（Physical Review A）、美國光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)志B（J. Opt. Soc. Am. B）等*學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表相關(guān)論文5篇，得到了國外同行專家的認(rèn)可和積極的評(píng)價(jià)。

    光學(xué)捕獲（Optical trapping）又稱光鑷（Optical tweezers）是一種新型的光學(xué)微操作技術(shù)。它將一束光用高數(shù)值孔徑的物鏡聚焦成微米級(jí)的光斑形成梯度來實(shí)現(xiàn)對(duì)微小粒子的捕獲和移動(dòng)。這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種微觀領(lǐng)域的研究，如在生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它已成為深入研究活體細(xì)胞和生物大分子個(gè)體行為，探索生命運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要手段。普通光鑷是用高斯光束對(duì)球形微小粒子的捕獲，其在理論和實(shí)驗(yàn)上都已比較成熟。然而一些特殊的光場(chǎng)模式或非球形微粒的光學(xué)捕獲表現(xiàn)出一些特殊的現(xiàn)象和行為，成為近年來光學(xué)捕獲領(lǐng)域的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

姚保利研究小組在光學(xué)捕獲理論研究方面取得的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

    、 提出了用CSPSW矢量勢(shì)來描述徑向極化的零階拉蓋爾-高斯光束，得到了具有簡單數(shù)學(xué)形式的徑向極化場(chǎng)各個(gè)分量，能滿足麥克斯韋方程組。應(yīng)用Lax微擾級(jí)數(shù)法，提出了五次方修正的徑向極化拉蓋爾-高斯光束（R-TEMn）的描述方法。研究論文發(fā)表在美國《物理評(píng)論A》和《光學(xué)快報(bào)》上。國外同行專家評(píng)價(jià)指出“這個(gè)論題對(duì)光學(xué)界很有興趣”，“他們給出了矢量勢(shì)一個(gè)簡潔明確的表達(dá)式，以此可以很容易地計(jì)算出場(chǎng)分布。他們將結(jié)果與五次方微擾展開方法得到的結(jié)果進(jìn)行了比較，符合得非常好。

    2、提出了一種改進(jìn)的T矩陣方法，能計(jì)算任意橢球體在聚焦高斯光場(chǎng)中的橫向和軸向捕獲力，克服了普通的T矩陣方法只能計(jì)算軸對(duì)稱型粒子（如球體、圓柱、回旋橢球體等）的缺陷。提出了一種快速計(jì)算散射場(chǎng)的算法，比傳統(tǒng)算法節(jié)省一倍的時(shí)間。研究論文發(fā)表在《美國光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)志B》上，國外同行專家評(píng)價(jià)指出“與多數(shù)關(guān)于球形粒子的研究工作相比，關(guān)于非球形粒子的工作比較少，用電磁場(chǎng)方法研究的也很少，而關(guān)于非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱粒子如三軸橢球粒子所受的光學(xué)捕獲力計(jì)算方面的研究則更為。因此這篇文章對(duì)這方面的研究做出了很有價(jià)值的貢獻(xiàn)。

    3、用嚴(yán)格的電磁場(chǎng)理論證明了徑向極化零階拉蓋爾-高斯光束只能改善大于一定尺寸粒子軸向捕捉效率。當(dāng)粒子尺寸進(jìn)入幾何光學(xué)范圍后，與國外同行用幾何光學(xué)模型得到的結(jié)論*相同，同時(shí)還給出了幾何光學(xué)模型無法得到的一些結(jié)果，研究論文發(fā)表在《物理評(píng)論A》上。

西安光機(jī)所在光學(xué)捕獲理論研究方面取得重要進(jìn)展