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我们结合Richards-Wolf矢量积分衍射理论、散射场时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)算法和麦克斯韦应力张量理论构建了一种数值计算平台,用于计算紧聚焦光束中介质和金属小球所受的光学力。对一种三维笼形光束的数值模拟证明了这样的暗中空聚焦光束能束缚住折射率比周围媒质低的电介质小颗粒。在紧聚焦光束作用于金属小球的模拟中,通过比较发现,聚焦场束缚金属小球的能力可以通过调整入射场的偏振状态来改变。模拟结果也给出了束缚力与金属小球半径之间的关系。同时我们还研究了不同波长的入射光对同一个小球的作用力,以此探讨入射光波长如何影响束缚效果。最后我们还证明了,半径与波长相近的小球即使其尺度超过了焦平面上的束缚临界半径,仍有可能在焦平面前被束缚。
在第一章中,我们全面回顾了光镊的发展历史、应用领域以及数值模拟的方法,同时给出了这些模拟方法基本公式的推导。
在第二章中,我们介绍了Richards-Wolf矢量积分衍射理论。对于线偏振、圆偏振、径向偏振和旋向偏振的入射光被高数值孔径聚焦的情况,我们计算了焦点附近电磁场的分布。章节的最后介绍了一种产生三维暗中空聚焦光束的方法。
在第三章中,我们首先介绍了时域有限差分方法(FDTD)的基本概念,讨论了两种处理色散关系的方法,然后我们推导了介质和金属中的散射场FDTD形式。最后我们简要地描述了麦克斯韦应力张量理论及给出了它的基本表达式。
在第四章中,我们运用由前几章所介绍的理论构建而成的数值计算平台研究了各种紧聚焦光束与电介质或金属之间的相互作用,所得的结论对中等尺度(相对波长而言)金属微观粒子的光学微操纵有指导意义。
第五章对本篇毕业论文的工作作出总结。