本論文使用具自旋與軌道角動量之光渦流光鉗去抓取具有布拉格洋蔥狀結構之膽固醇液晶微球(cholesteric liquid crystal CLC)，主要觀察與研究微球同時受到光鉗兩種角動量影響下之運轉行為。論文分為兩部分實驗，第一部分實驗研究當CLC微球旋性與光渦流光鉗之圓偏振(或自旋角動量)旋性相同與相反時，微球的軌道轉速之差異。第二部分實驗研究當額外添加偶氮液晶至微球內，光渦流光鉗引致微球做軌道旋轉轉速受到紫外光照射微球前後之差異。 第一部分實驗結果顯示，當渦流光鉗圓偏振旋性與CLC微球旋性相同(相反)時，會讓微球軌道轉速較快(較慢)，此乃因為當光渦流光鉗圓偏振與微球旋性相反時，光子可折射入微球，因光子撞擊微球時給與微球方位角散射力(azimuthal scattering force)而將軌道角動量轉移給微球使微球轉動。但若當光渦流光鉗圓偏振與微球旋性相同時，光子會被CLC微球反射，反射的光子會給予微球兩倍的入射軌道角動量(亦即給予兩倍的入射方位角散射力)，造成微球會以較快的速度轉動。針對實驗結果，本論文進一步利用古典力學建立一微球之軌道運動終端轉速之近似式與提出簡單物理模型以解釋本實驗結果。實驗也發現微球旋轉方向由光鉗帶有之軌道角動量旋性主導決定。 第二部分實驗結果顯示，當加入偶氮液晶至微球內時，紫外光照射後會使偶氮液晶發生trans?cis同素異構化反應導致CLC微球以等溫相變形式轉變成各向同性態。比較於紫外光照射前後，發現微球以右與左旋光渦流光鉗引致軌道運動之轉速皆大量下降至相同值，此結果顯示微球變為各向同性態已對微球圓偏振旋性不再具有選擇性。本論文進一步利用微球軌道運動終端轉速之近似式解釋各向同性態的微球轉速變慢之可能原因: (一)、微球相變後之等效折射率下降而導致光鉗光子給予的散射力(矩)下降；(二)、由於微球相變後之體積明顯變大導致微球與環境之接觸表面積變大而造成拖曳力矩的上升；(三)、由於光鉗作用在小球的光圓環位置不變，當小球相變後體積變大而導致光鉗光圓環作用在微球上的有效體積下降。綜合上述三個原因而導致小球在相變成各向同性態後其轉速大量下降。
Optical vortex tweezers induced orbital motion of cholesteric liquid crystal microdroplets
崇瑜, 吳. (Author). 2019
學生論文: Doctoral Thesis