低数值孔径聚焦系统：多Rayleigh粒子二维俘获研究

"这篇研究论文探讨了一种低数值孔径聚焦系统在俘获Rayleigh粒子（如金粒子和空气泡）中的应用。该系统由两个透镜构成，通过Richard-Wolf矢量衍射理论来计算其衍射场分布。文章重点分析了在数值孔径较小（NA=0.58纳米和NA=0.35纳米）的情况下，系统对粒子的俘获特性。在NA=0.58纳米时，系统在光轴上形成明暗交替的光斑阵列，这使得能够同时俘获多个亚波长大小的金粒子和空气泡。而在NA=0.35纳米时，沿光轴会出现波长大小的圆环阵列，适合二维（2D）俘获多个空气泡。这项研究对于理解和优化光学俘获技术在微纳粒子操控领域的应用具有重要意义。" 这篇学术文章主要涉及以下几个核心知识点： 1. 衍射：衍射是光遇到障碍物或通过孔径时，光线偏离直线传播的现象。在本文中，衍射是通过透镜系统发生的，影响了光场的分布，从而影响粒子的俘获。 2. 光学俘获：光学俘获，也称为光学陷阱，是一种利用光的力来捕获和操纵微小物体的技术，如粒子、细胞等。这种技术基于光的辐射压力，当光照射到粒子上时，会在粒子两侧产生压力差，从而产生净力。 3. Richard-Wolf 矢量衍射理论：这是一种描述光通过光学系统时的衍射和成像的理论，考虑了光的波动性质，包括偏振效应。在本文中，该理论用于计算两束不同偏振态的光通过双透镜系统后的衍射场分布。 4. 聚焦系统：由两个透镜组成的聚焦系统可以将光束聚焦到一个点，形成高光强区域，这个区域可以产生足够的光学力来俘获粒子。文中讨论了数值孔径对俘获能力的影响。 5. 数值孔径（NA）：数值孔径是衡量光学系统收集光的能力的一个参数，与系统的分辨率和俘获能力密切相关。在本文中，较低的NA值导致特定的光场分布，有利于特定粒子的俘获。 6. Rayleigh粒子：Rayleigh粒子是指具有尺寸远小于光波长的粒子，如金粒子和空气泡。这些粒子对光的散射遵循Rayleigh散射定律，使得它们在光学俘获实验中具有特殊性质。 7. 光轴上的光斑阵列和圆环阵列：这些结构是由于特定NA值下的衍射效应产生的，它们提供了不同的俘获策略。光轴上的光斑阵列适合同时俘获多个粒子，而圆环阵列则适用于二维俘获。 这篇研究揭示了低NA聚焦系统在光学俘获中的潜力，特别是对于亚波长大小的粒子，以及如何通过调整系统的参数（如NA）来优化粒子的俘获效果。这对于微纳米操作、生物科学、材料科学等领域具有重要的理论和实践意义。