入射光椭圆度对晶体微粒旋转角速度的影响

光致旋转技术在微机械和微生物等领域的应用越来越广泛。利用光束自旋角动量可以导致晶体微粒光致旋转的机理,从理论上分析了入射光椭圆度对晶体微粒旋转角速度的影响。通过MATLAB对不同激光功率下,光束的椭圆度与晶体微粒旋转角速度的关系进行数值模拟。结果表明:在实际对晶体微粒光致旋转操作中,晶体微粒能否旋转起来取决于光束椭圆度与微粒厚度之间的关系;在同一激光功率下,光束椭圆度与晶体微粒旋转角速度呈正旋曲线变化。因此,通过调节光束的椭圆度和较高的激光功率可以提高晶体微粒的旋转角速度。该结论对光驱动微机械马达的优化设计有一定的指导意义。     

晶体微粒光旋转频率受其厚度影响的实验分析

为优化双折射晶体微粒的旋转频率,基于光致旋转技术对晶体微粒在偏振光自旋角动量作用下的转动进行了理论分析,通过给定参数模拟了石英(SiO2)晶体微粒旋转频率与其厚度和激光有效功率的变化关系曲线.依此优化了光致旋转的实验装置,并在此装置上对不同厚度的石英晶体微粒的旋转频率进行了测量.结果表明,微粒的旋转频率与微粒厚度呈现周期性曲线变化关系,并且旋转频率与有效激光功率成正比,实验测得石英晶体微粒的最高旋转频率为9.2Hz,与理论模拟结果基本吻合.该结论为光驱动微机械马达实现技术的进一步深入研究提供了基础理论和技术保障.     

偏振光作用于晶体微粒实现微机械转子旋转的优化研究

激光驱动微纳器件为微机械领域中驱动微齿轮提供了一种新型的驱动方式。偏振光束的自旋角动量向晶体微粒传递可使其旋转,基于晶体波动光学理论分析了影响其旋转频率的各种因素(如微粒的厚度和半径;晶体光轴与晶面的夹角;光束在晶面的反射率和透射率、光束振幅比和位相差、激光功率),并推导出晶体微粒的旋转角速度的解析公式。为验证理论结果,在光镊平台上实现了碳酸钙晶体微粒的定位操控和旋转。所得实验值整体比理论值小是由于实际作用在粒子上的的激光有效功率比实验测量值要偏小;结合理论模拟与实验结果对比分析得知:碳酸钙晶体微粒的旋转角速度与激光功率成正比、与晶体微粒半径的三次方成反比、与微粒厚度成周期性变化规律。依此为提高微机械转子的旋转频率进行优化设计:选择Ca CO3晶体微粒作为微机械转子较为合适,Ca CO3晶体微粒的半径和厚度均取为1~3μm。     

光致旋转中晶体微粒厚度对旋转频率的影响

从理论上讨论了双折射晶体微粒与圆偏振光束作用的基本过程,建立了由于光束自旋角动量向双折射晶体微粒的转移所引起的旋转现象的物理模型。为提高晶体微粒的旋转频率,从理论和实验两方面对CaCO3和SiO2晶体微粒的厚度与其旋转频率的关系进行了详细分析。基于MATLAB软件分别模拟出双折射晶体微粒的厚度与其旋转频率的正弦关系曲线,并通过实验测得相应的晶体旋转频率数据进行验证。结果表明,在有效激光功率为10 mW的条件下CaCO3和SiO2双折射晶体微粒的最大旋转频率分别为1.7 Hz和1.5 Hz。该结果可用于光致旋转在微机械设计中转子厚度的选择和其旋转频率的最优化控制。     

双折射晶体微粒光致旋转受其半径影响分析

利用双折射晶体微粒在具有自旋角动量的光束作用下可产生围绕自身光轴旋转的特性,在光镊实验平台上实现了双折射晶体微粒的光致旋转。为了提高晶体微粒的旋转频率,从理论和实验上对双折射晶体微粒的旋转频率受其半径的影响进行了分析。用MATLAB模拟出CaCO3晶体微粒和SiO2晶体微粒的旋转频率与其半径的三次方成反比的关系曲线,并测得相应的实验关系曲线,其结果与理论分析相吻合。在相同的激光功率下,CaCO3晶体微粒的最高旋转频率可达15.1 Hz,SiO2晶体微粒的最高旋转频率可达11.4 Hz。该结论可用于光致旋转在实际应用中晶体微粒大小的选择和其旋转频率的优化控制。     

光阱中的CaCO3晶体微粒的光致旋转

从理论上分析了偏振光束与双折射晶体粒子的相互作用过程，讨论了由于光束自旋角动量向晶体粒子的传递所导致的光致旋转效应的原理，并在纳米光镊装置上利用线偏振He-Ne激光器(633nm，10mW)形成了光镊光阱，利用1／4波片来改变光镊光束的偏振状态，在不同的椭圆偏振状态下实现了直径约为几微米的CaCO晶体微粒的捕获和光致转动。同时利用CCD相机和四像限探测器(QD)测量了粒子光致旋转的转动频率，研究了粒子的旋转频率随激光功率的变化关系。结合实验结果从理论上详细讨论了粒子自身的性质，如厚度、半径和晶体粒子的光轴取向等因素对粒子光致旋转转动速度与激光功率关系的影响。     

光驱动马达技术中晶体转子厚度的优化分析

为了提高碳酸钙晶体转子的转动频率,采用了激光微束驱动单轴双折射晶体使其产生旋转的方法,并改进了光致旋转的实验系统。对给定实验参量下的碳酸钙晶体转子的转动频率与其厚度和激光有效功率的变化关系进行了理论分析,通过实验测得了不同厚度碳酸钙晶体转子的转动频率值,并对影响转子转动频率的主要因素进行了详细讨论。结果表明,碳酸钙晶体转子的转动频率与其厚度呈现余弦变化关系,当入射有效激光功率为10mW时,测得其最大转动频率值为8.9Hz,实验结果与理论模拟基本吻合。该结论为微观范围内生物活细胞的颗粒分类、微纳机械转子的性能研究等提供了技术保障。     

利用具有自旋角动量的光束实现微粒的旋转

从理论上分析了偏振光束与双折射晶体粒子的相互作用过程,讨论了由于光束自旋角动量向晶体粒子的传递所导致的光致旋转效应的原理.研究了粒子的旋转频率随激光功率的变化关系,讨论了粒子自身的性质,如厚度、半径和晶体粒子的光轴取向等因素对粒子光致旋转转动速度与激光功率关系的影响.     

利用具有自旋角动量的光束实现微粒的旋转

从理论上分析了偏振光束与双折射晶体粒子的相互作用过程,讨论了由于光束自旋角动量向晶体粒子的传递所导致的光致旋转效应的原理,通过MATLAB仿真分析,研究了粒子的旋转频率随激光功率的变化关系,得出粒子转动频率与激光功率成正比.利用光镊装置,采用波长为632.8 nm的He-Ne激光器,在不同的激光功率下实现对不同半径双折射粒子的旋转,测量了光致旋转的转动频率,最高转速可达5 r/s,并得出了不同粒子的旋转频率随激光功率的变化关系,实验结果和理论分析基本一致.分析了产生误差的原因,其中载波片底面的摩擦影响最大.     

酵母细胞在涡旋光阱中的旋转动力学研究

利用液晶空间光调制器对高斯光束进行相位调制后可生成涡旋光束。因涡旋光束本身具有轨道角动量,酵母细胞被光阱捕获后会绕其中心旋转,对酵母细胞旋转的时序信号图进行傅里叶变换后可测出酵母细胞在光阱中的旋转角速度。详细讨论了酵母细胞旋转角速度随激光功率、拓扑荷以及捕获高度的变化关系。实验结果表明,酵母细胞的旋转角速度与激光功率成正比,与拓扑荷的平方成反比;捕获高度在14μm时角速度达到最大值;细胞在涡旋光阱中的旋转方向可由拓扑荷的符号决定,正号为逆时针旋转,负号为顺时针旋转。此实验结果有望应用在细菌鞭毛马达力矩的测量实验中。     

利用偏振光实现双折射微粒的光致旋转

利用偏振光与双折射性微粒相互作用时自旋角动量的传递 ,实现了光镊悬浮的CaCO3 晶体微粒的光致旋转 ,并利用四象限探测器 (QD)测量了微粒转动周期及其与偏振状态的关系 ,还分析讨论了微粒在光镊作用下的转动特性 ,给出一些定性结论。     

激光光阱中微粒的光致旋转

光致旋转是实现微机械马达的有效手段，它是在光镊（或者称激光光阱）对微粒的三维操作基础上又增加了一维角向的操作，这对微操作是具有重要意义的。光镊的出现促进了光致旋转的发展，本文概述了近年来国际上利用光镊实现光致旋转的研究进展。根据所利用的自旋角动量和轨道角动量的动量类型，讨论了现有的多种光致旋转方法，并进行了比较，给出所用样品粒子的种类及特性、光束和实验装置的特点以及最终所获得的结果。     

改进Friese光致旋转理论的模拟及实验分析

为验证改进Friese光致旋转理论的合理性和可靠度,搭建了实时、快速测量单轴双折射样品粒子转动情况的光镊实验平台。捕获激光微束首先被聚光镜收集,经二向色镜和成像透镜后被四象限探测器接受,四象限探测器的信号变化反映了微观物体在囚禁光阱的运动情况,然后使用数据采集卡采集四象限探测器的信号,最后通过信号和图像处理分析得到样品粒子的运动情况,并把实验结果与理论分析对比。结果表明,改进Friese理论的模拟曲线与测得的实验数据更相符。该激光光镊系统可用于驱动微纳机械装置、测量微纳系统的力学参数以及组装生物器件等。     

海底能见度测量方法的研究

文中对半导体激光器进行调制,用分束平片将被调制的激光束分成透射光束和反射光束,透射光束作为探测光束,反射光束作为参考光束。同时,测量探测光束在前向散射区35毅角的散射光功率和参考光束的功率,用散射功率与参考光功率之比来计算角散射系数。激光器输出光功率波动时,探测光束和参考光束同步波动,散射光功率与参考光功率之比不受光源波动的影响。用2 滋m 石英颗粒作为散射源,对构建的装置进行测试。结果表明,角散射系数与石英微粒浓度成线性关系,相关系数为0. 99。双通道测量方式可以用于水底能见度的测量。