西安光(guang)機(ji)所(suo)在光(guang)學(xue)捕獲(huo)理論研究(jiu)方(fang)面(mian)取得(de)重(zhong)要進(jin)展

西安光(guang)機(ji)所(suo)在光(guang)學(xue)捕獲(huo)理論研究(jiu)方(fang)面(mian)取得(de)重(zhong)要進(jin)展

中國科學(xue)院(yuan)西安光(guang)學(xue)精密機(ji)械(xie)研究(jiu)所(suo)瞬態(tai)光(guang)學(xue)與光(guang)子(zi)技術國家重(zhong)點實(shi)驗室姚(yao)保利研究(jiu)小(xiao)組早在多年前(qian)就開(kai)展了(le)光(guang)學(xue)微操(cao)縱(zong)技術的(de)研究(jiu)，已(yi)掌握了(le)激光(guang)光(guang)鑷(nie)、飛(fei)秒激光(guang)光(guang)刀(dao)、顯微光(guang)譜(pu)儀(yi)等核心技術，出(chu)了(le)具(ju)有(you)自主知識產權(quan)的(de)激光(guang)光(guang)鑷(nie)產品(pin)，並成(cheng)功(gong)投(tou)放於(yu)市(shi)場。近期該研究(jiu)小(xiao)組又瞄(miao)準(zhun)特(te)殊(shu)光(guang)束(shu)及(ji)特殊(shu)微粒光(guang)學(xue)捕獲(huo)力(li)計(ji)算的理論問題(ti)，進(jin)行了(le)深入(ru)的研究(jiu)，取得(de)了(le)壹系(xi)列具(ju)有(you)創(chuang)新(xin)性(xing)的(de)研究(jiu)成(cheng)果(guo)，先後在美國光(guang)學(xue)快報（Optics Letters）、美(mei)國物理評論A（Physical Review A）、美(mei)國光(guang)學(xue)學會(hui)會誌B（J. Opt. Soc. Am. B）等*學(xue)術刊(kan)物(wu)上發表(biao)相關(guan)論文(wen)5篇(pian)，得(de)到了(le)國外同行專家的(de)認(ren)可和積(ji)極(ji)的評(ping)價(jia)。

    光(guang)學(xue)捕獲(huo)（Optical trapping）又稱光(guang)鑷(nie)（Optical tweezers）是壹種新(xin)型(xing)的光(guang)學(xue)微操(cao)作技術。它(ta)將(jiang)壹束(shu)光(guang)用(yong)高數(shu)值(zhi)孔徑的(de)物鏡(jing)聚(ju)焦成(cheng)微米(mi)級的光(guang)斑(ban)形(xing)成(cheng)梯度(du)來實(shi)現對(dui)微小(xiao)粒子(zi)的捕(bu)獲(huo)和移動。這(zhe)項技術被廣(guang)泛(fan)應用於(yu)各(ge)種微觀領(ling)域(yu)的研究(jiu)，如(ru)在生(sheng)物和醫(yi)學(xue)領(ling)域(yu)，它(ta)已(yi)成(cheng)為深入(ru)研究(jiu)活(huo)體細(xi)胞和生(sheng)物大分子(zi)個(ge)體行為，探(tan)索生(sheng)命運動(dong)規律(lv)的重(zhong)要手(shou)段。普(pu)通光(guang)鑷(nie)是用高斯光(guang)束(shu)對(dui)球(qiu)形(xing)微小(xiao)粒子(zi)的捕(bu)獲(huo)，其(qi)在理論和實(shi)驗上都已(yi)比較(jiao)成(cheng)熟。然(ran)而壹些(xie)特殊(shu)的(de)光(guang)場模式或非(fei)球(qiu)形(xing)微粒的光(guang)學(xue)捕獲(huo)表現出(chu)壹些(xie)特殊(shu)的(de)現象(xiang)和行為，成(cheng)為近(jin)年來(lai)光(guang)學(xue)捕獲(huo)領域(yu)的壹個(ge)新(xin)的(de)研究(jiu)熱(re)點。

姚(yao)保利研究(jiu)小(xiao)組在光(guang)學(xue)捕獲(huo)理論研究(jiu)方(fang)面(mian)取得(de)的主要創(chuang)新(xin)點如(ru)下：

    、 提(ti)出(chu)了(le)用CSPSW矢(shi)量勢(shi)來描述徑向極化(hua)的(de)零(ling)階(jie)拉蓋爾-高(gao)斯光(guang)束(shu)，得(de)到了(le)具(ju)有(you)簡單數學形(xing)式的徑向極化(hua)場各(ge)個(ge)分量(liang)，能滿足麥克斯韋(wei)方(fang)程組。應用Lax微擾級數法，提(ti)出(chu)了(le)五(wu)次(ci)方(fang)修(xiu)正(zheng)的徑向極化(hua)拉(la)蓋爾-高(gao)斯光(guang)束(shu)（R-TEMn）的描(miao)述方法。研究(jiu)論文(wen)發表(biao)在(zai)美(mei)國《物理評論A》和《光(guang)學(xue)快報》上(shang)。國外同行專家評(ping)價(jia)指(zhi)出(chu)“這(zhe)個(ge)論題(ti)對(dui)光(guang)學(xue)界很(hen)有興趣”，“他(ta)們(men)給(gei)出(chu)了(le)矢量(liang)勢(shi)壹個(ge)簡潔(jie)明(ming)確的(de)表達式，以此(ci)可以很容(rong)易(yi)地(di)計(ji)算出(chu)場分布(bu)。他(ta)們(men)將(jiang)結果(guo)與(yu)五(wu)次(ci)方(fang)微擾展開方(fang)法得(de)到的(de)結果(guo)進(jin)行了(le)比較(jiao)，符(fu)合(he)得(de)非(fei)常好(hao)。

    2、提出(chu)了(le)壹種改進(jin)的(de)T矩陣方法，能(neng)計(ji)算任意橢球(qiu)體在(zai)聚(ju)焦高斯光(guang)場中的(de)橫(heng)向和軸(zhou)向捕獲(huo)力(li)，克(ke)服(fu)了(le)普通的(de)T矩陣方法只(zhi)能(neng)計(ji)算軸對(dui)稱(cheng)型(xing)粒子(zi)（如球(qiu)體、圓(yuan)柱、回旋(xuan)橢(tuo)球(qiu)體等(deng)）的缺陷。提(ti)出(chu)了(le)壹種快速(su)計(ji)算散(san)射(she)場的算法，比(bi)傳統算法節(jie)省壹倍(bei)的時間。研究(jiu)論文(wen)發表(biao)在(zai)《美(mei)國光(guang)學(xue)學會(hui)會誌B》上，國外同行專家評(ping)價(jia)指(zhi)出(chu)“與(yu)多數(shu)關(guan)於(yu)球(qiu)形(xing)粒子(zi)的研究(jiu)工作相比(bi)，關(guan)於(yu)非(fei)球(qiu)形(xing)粒子(zi)的工作比較(jiao)少，用(yong)電(dian)磁(ci)場方法研究(jiu)的(de)也很(hen)少，而關(guan)於(yu)非(fei)旋(xuan)轉(zhuan)對(dui)稱(cheng)粒子(zi)如三(san)軸(zhou)橢(tuo)球(qiu)粒子(zi)所(suo)受(shou)的(de)光(guang)學(xue)捕獲(huo)力(li)計(ji)算方面(mian)的(de)研究(jiu)則(ze)更(geng)為。因(yin)此(ci)這(zhe)篇(pian)文(wen)章對(dui)這(zhe)方面(mian)的(de)研究(jiu)做(zuo)出(chu)了(le)很有(you)價值(zhi)的(de)貢(gong)獻(xian)。

    3、用嚴格(ge)的(de)電磁(ci)場理論證(zheng)明(ming)了(le)徑向極化(hua)零(ling)階(jie)拉蓋爾-高(gao)斯光(guang)束(shu)只(zhi)能(neng)改(gai)善大於(yu)壹定(ding)尺寸(cun)粒子(zi)軸向捕捉(zhuo)效(xiao)率。當(dang)粒子(zi)尺寸(cun)進(jin)入(ru)幾何(he)光(guang)學(xue)範圍(wei)後(hou)，與(yu)國外同行用幾何(he)光(guang)學(xue)模型(xing)得(de)到的(de)結論*相(xiang)同，同(tong)時還(hai)給出(chu)了(le)幾何(he)光(guang)學(xue)模型(xing)無法得(de)到的(de)壹些(xie)結果(guo)，研究(jiu)論文(wen)發表(biao)在(zai)《物(wu)理評論A》上(shang)。

西安光(guang)機(ji)所(suo)在光(guang)學(xue)捕獲(huo)理論研究(jiu)方(fang)面(mian)取得(de)重(zhong)要進(jin)展