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。