为探究聚焦扭曲厄米-高斯-谢尔模光束对瑞利粒子的捕获特性, 基于广义惠更斯-菲涅耳原理和瑞利散射理论, 推导了扭曲厄米-高斯-谢尔模光束经过聚焦透镜后光强和辐射力的解析表达式, 并数值模拟分析了扭曲厄米-高斯-谢尔模光束对瑞利粒子的辐射力随光束阶数、扭曲因子等光束参数和透镜焦距的变化规律。结果表明, 扭曲厄米-高斯-谢尔模光束的光场分布在传输过程中逐渐分裂并绕着传输轴旋转; 梯度力和捕获稳定范围随着光束阶数和扭曲因子增大而增大; 通过选择合适的光束参数和透镜焦距, 可以实现对不同折射率的两种瑞利粒子的稳定捕获。研究结果对扭曲厄米-高斯-谢尔模光束在光镊技术中的应用具有一定的参考价值。

为解决载气式、超声振动和惯性力等现有微输送方法在较宽输送速率范围内难以克服的角形金属粉体堵塞难题, 本文研究以超声驻波场声辐射力为驱动力, 通过悬浮分散微喷嘴内密集态粉末颗粒, 实现金属粉末的稳定微输送。以激光熔覆技术中常用且易堵塞的100目、200目和300目角形铬粉和200目角形钛合金粉为对象, 进行脉冲式和连续式两种模式的微输送精度和稳定性实验研究。实验显示, 300目角形铬粉单脉冲输送质量可控范围为0.4~16 mg且连续输送速率可控范围为6.0~65 mg/s; 脉冲微输送质量的变异系数随微喷嘴内径的增大而大幅降低(小于2%)、连续输送速率的变异系数均低于6%。实验结果表明, 声辐射力驱动微米级角形金属粉末具有较大的输送速率可控范围、输送精度、稳定性和多种角形金属粉末的普适性, 可从根本上解决角形粉末喷嘴微输送的堵塞问题。本文研究结果也可为其它尺度金属粉末和非金属粉末的微输送提供参考。

基于贝塞尔积分及广义惠更斯-菲涅耳衍射积分方法,导出了超几何激光束通过聚焦透镜光学系统的光场解析传输公式,计算了其在不同传输距离的光强分布特性。研究了超几何光束对瑞利微粒的辐射力和梯度力的分布情况,并对超几何激光束的捕获稳定性条件进行了分析。

本文研究了紧聚焦的双环径向偏振(R-TEM*11)涡旋光束对瑞利粒子的捕获特性.通过调节R-TEM*11涡旋光束的截断参数β,可以在焦点附近得到中心强度较大的三维亮斑和面积较小而且被亮场包围的三维暗斑.基于瑞利散射理论,研究了该光束作用在金属微粒和空气泡粒子上的梯度力、吸收力和散射力的分布特点,讨论了粒子捕获的稳定性.结果表明:调节R-TEM*11涡旋光束的截断参数β,当β=1.1时,产生的亮焦斑可以稳定地捕获折射率较大的金属粒子;当β=1.6时,产生的暗焦斑可以稳定地捕获折射率较小的空气泡粒子.

理论研究了强聚焦混合偏振矢量光束作用在瑞利粒子的辐射力,推导出混合偏振矢量光束深聚焦在焦平面处产生辐射力的计算表达式,数值模拟了焦平面附近轴向光束强度分布及数值孔径与径向系数对辐射力分布的影响.结果表明, 强聚焦混合偏振矢量光束深聚焦后在焦平面附近产生的辐射力在一定情况下能够实现对瑞利粒子的三维捕获,并且受数值孔径和径向系数的影响, 其中径向系数影响较为明显.大量数据整合结果表明当径向系数大于3时, 才能实现与光阑数值孔径相匹配, 完成对焦平面附近瑞利粒子的三维捕获.

基于互谱密度函数和瑞利散射理论，推导了聚焦部分相干复宗量厄米高斯光束的光强分布和作用在瑞利电介质球上辐射力的解析表达式，并进行了相应的数值计算。结果表明：当横向相干长度较大时，聚焦部分相干复宗量厄米高斯光束具有空心光束的轮廓，空心的尺寸随着光束阶数的增加而增大；随着相干度的逐渐减小，聚焦部分相干复宗量厄米高斯光束逐渐转化成高斯光束，光强的峰值随着光束阶数的增加而减小。通过改变光束的相干度，选择合适的光束阶数、光束腰宽及透镜的焦距长度，可实现对折射率不同的两类粒子的大范围、稳定捕获，所得结论对光学捕获具有一定的理论参考价值。

针对光学表面冗余粒子的清除问题, 通过离轴高斯波束的球矢量波束展开方法, 研究了介质球对离轴及斜入射高斯波束的散射特性; 基于得到的结果结合连带勒让德函数的正交递推关系推导了离轴高斯波束对介质球的横向和轴向辐射力的解析表达式, 并重点分析了离轴距离和高斯波束斜入射角度分别对轴向辐射力和横向辐射力的影响。结果表明, 离轴入射时, 在束腰负半轴2 μm处出现一个总力极大值, 过束腰零点后5 μm处出现一个反向次大值点; 高斯波束斜入射时, 辐射力在束腰中心前后各出现一个极大值, 随着入射角的增大, 曲线整体下移减小, 辐射力极大值所对应的Z0位置固定。得到的结论可用于无损检测工程中, 即通过调节高斯波束束腰位置可提高对冗余粒子驱逐和控制的效率。

针对基片无损检测工作中缺陷粒子的清除问题，基于广义米氏理论，结合球形缺陷粒子对激光波束的散射理论，研究了沿基片水平方向入射高斯波束对介质球缺陷粒子的辐射力。根据连带勒让德函数及三角函数的正交关系，给出作用在高斯波束中介质缺陷球体粒子上的横向以及轴向辐射力的解析表达式，并分析不同参数对辐射力的影响。结果表明，随激光束腰半径的减小，辐射力峰值变大；随束腰半径增大，光轴的能量降低，散射力减小；随粒子折射率减小，散射力逐渐减小。工程上可通过减小激光波束束腰半径加大激光能量，以便更有效地清除缺陷粒子；亦可通过对辐射力的定量分析实现缺陷材质的检测。

研究了部分相干径向偏振光束经透镜聚焦后，在聚焦区域内，对于瑞利粒子(半径小于波长)产生的辐射力的分布情况。基于Collins公式，推导了部分相干径向偏振光通过透镜聚焦后，在几何焦平面附近的光强表达式，并应用瑞利散射理论，计算了聚焦光束与瑞利粒子的相互作用力。根据数值模拟的结果，比较了部分相干径向偏振光束与部分相干线偏振光束经透镜聚焦后辐射力的分布情况。并且经过研究发现，通过改变部分相干径向偏振光的相干度，在几何焦平面内的辐射力有着明显的变化，且利用部分相干径向偏振光束经透镜聚焦后焦平面内辐射力的变化特性，能同时对高折射率粒子和低折射率粒子进行捕获。

使用聚焦平顶光束和平顶涡旋光束，以金为例,对金属瑞利粒子辐射力和俘获稳定性进行了分析，着重研究了拓扑电荷和光束阶数对辐射力的影响。结果表明，随着拓扑电荷和光束阶数的增大，最大光强和辐射力随之减小;平顶光束可以俘获金瑞利粒子,俘获微粒的牢固性和俘获范围随着光束阶数增大而减小，而平顶涡旋光束的梯度力不能作为回复力，因此不能俘获。最后,还讨论了不同光强分布下，俘获金属瑞利粒子时复介电常数需满足的必要条件。