多涡旋波束对复杂粒子系散射与微操控及旋转多普勒效应解析解研究
批准号:
62071359
项目类别:
面上项目
资助金额:
56.0 万元
负责人:
屈檀
依托单位:
学科分类:
电磁场与波
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
屈檀
中文摘要
研究涡旋波束与复杂介质粒子系相互作用物理过程,对获得多维度时空结构新型波场,新型波场对原子、分子及微纳结构等体系调控,发现新现象和揭示新机理等具有重要应用价值。本项目重点针对多涡旋波束合成场矢量描述和收敛展开式,建立多涡旋波束对单/多个、均匀/非均匀、手征/各向异性介质粒子系散射与微操控模型,突破多粒子相干散射理论和非均匀粒子迭代算法尺寸限制关键技术;理论结合实验研究散射、辐射力、扭矩及结合力随波束极化、模态、入射角、介电参数、尺寸和空间取向变化规律。分析入射频率、轨道角动量、速度和角速度、介质结构等对运动粒子散射特性影响,阐述旋转和几何多普勒效应机理。通过电磁/光散射理论,结合动量和角动量定理及实验,阐释散射、操控力及多普勒频移物理过程,揭示微宏观物理机理。研究成果为涡旋波束散射在粒度分析与诊断、细胞融合与基因重组、目标识别与微运动探测等领域应用提供理论依据和技术支撑。
英文摘要
Research on the physical process of the interactions between the vortex beams and the complex particles has a significant applied value at the acquisition of multiple dimensions time-space structural wave field, modulation of new wave field on atom, molecule and micro and nano structure, and discovery of new phenomenon and mechanism. Focusing on the description and convergent expansion of multiple vortex beams, the scattering and micro-manipulation model of single/multiple, homogeneous /inhomogeneous, chiral/anisotropic particles system by multiple vortex beams are built. Breakthrough to key technology such as coherent scattering and multilayered size limitations is brought forward. In addition, the distributions of scattering, radiation force, torque and binding force with variations of polarization, topological charge, incident angle, dielectric parameters, size and distribution are investigated combing theoretical simulation and experiment measurement. The influence of the frequency, orbital angular momentum, motion and spinning velocity, material structure on the scattering properties of motional particles are analyzed. The rotational Doppler and geometric phase Doppler shift are further illustrated. Utilizing the electromagnetic/light scattering theory, combined with the momentum and angular momentum theorem, as well as experimental verification, the physical process and macro and micro physical mechanism are interpreted in detail. The theory will provide theoretical basis and technical support for the research fields of particle sizing and diagnosis, cell fusion and genetic recombination, target recognition and micromotion detection.
随着微操控精度、通信容量和目标探测维度等领域应用需求的急剧提升,涡旋波束场准确表征、散射及微操控理论研究亟需探索。针对强聚焦场旁轴近似理论不适用,涡旋光束传输与散射中模态畸变等问题,本项目提出了涡旋波束的高阶近似平面波角谱展开方法,分析了在不同传输距离和半锥角情形下,零阶、一阶和二阶相位近似项展开对涡旋波束波场分布的影响和适用条件;研究了任意方向传播双高斯波束、贝塞尔波束合成波场的矢量展开形式,及双波束对单轴各向异性球形粒子的辐射力;建立了高阶贝塞尔波束对多层手征粒子的辐射力和扭矩理论模型,分析了波束参数、手征粒子参数等对光动力分布的影响规律和物理机理;提出了艾里涡旋波束对各向同性/手征介质板的透反射解析表达式,分析了光学厚度、介质板折射率对反射和透射场强度峰值和波场移动的影响,研究了艾里波束入射到左旋媒质的透反射场分布,发现入射角和负折射率影响入射艾里光束在左旋媒质中的成像位置,研究成果为艾里波束的探测和成像提供了理论依据;研究了贝塞尔涡旋波束对等离子体的非相干散射,分析了旋转多普勒效应产生的散射功率谱密度函数频移的方向与等离子体涡旋角速度的关系。基于超表面设计产生涡旋波束,测量了涡旋波束对金属平板、金属球的近场分布,外推了远场散射特性分布,数值仿真分析涡旋波对金属球散射场分布规律,实验测量与仿真结果对比,验证了理论的正确性和实验测量的可靠性。同时,提出了基于注意力金字塔卷积神经网络的涡旋光轨道角动量态检测技术。并在不同传输条件下进行仿真实验,表明了提出的检测方案能进一步保证高精度的轨道角动量态检测,研究成果对多涡旋波束探测及通信中模态识别具有重要的应用价值。相关研究成果发表学术论文20篇,授权发明专利1项,受理3项,获得陕西省高等学校科学技术研究优秀成果二等奖1项。
各向异性粒子系对矢量拉盖尔高斯涡旋波束散射及操控力效应研究
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批准号:61601355
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:19.0万元
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批准年份:2016
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负责人:屈檀
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依托单位:
国内基金
海外基金