2光镊技术的基本原理

哈尔滨工程大学理学院刘志海副教授光镊—研究微观世界的新手段2.光镊原理2.1光阱力的构成•梯度力：来自介质小球中的电偶极矩在不均匀电磁场中受到的力。它正比与光强的梯度，指向光场强度的最大处。它的作用效果使得粒子朝向光功率密度最大的点运动。•散射力：来自光在散射过程中与光子交换动量而获得，被散射的光子动量改变来自于介质对光子的作用力。它的方向沿着光的传播方向，作用效果使粒子沿着光束的传播方向运动2.光镊原理2.2小球受光阱力的计算方法A.第一类粒子MieParticle当粒子半径R远远大于入射光波在真空中的波长5R所采用的计算方法:采用几何光学的近似算法(射线光学模型)2.光镊原理2.光镊原理B.第二类粒子RayleighParticles当粒子半径R远远小于入射光波在真空中的波长201R所采用的计算方法：用瑞利散射的理论进行近似计算2.光镊原理将粒子视为电偶极子（electricdipole）应用电偶极子对电磁波的散射理论计算散射力TscatrzSmmakcnrzF),(2138),(222642应用感应电偶极子受洛仑兹力计算梯度力22022232218),(RgradzPwmmcanrzF226/202)(22rwwezziiwri)sin(2222//2irwrwrRwweeZkri22622022/)(2r2.光镊原理C.第三类粒子（的粒子）~R在实验中，由于尺度与波长相近的粒子易被很牢固地捕捉所以我们经常用这样的粒子作为探测对象，去研究我们感兴趣的微观现象。但很不幸，在此尺度内，我们缺少与之相配的理论，这就给我们带来了数值计算上的困难。近年来理论发展的方向是，将光阱中光的散射过程视为电磁散射问题，则通过求解麦克斯韦方程就可以求解光的散射场。在电磁场计算领域，求解麦克斯韦方程有多种数值方法：有限元法（FiniteElementMethod)，有限微分时域算法(FDTD)，离散偶极子近似算法(DiscreteDipoleApproximation)，T矩阵算法（T-matrixmethod）等等。•第一种方法的理论基础很隐晦，作者直接给出了力的表达式而没有详细说明物理依据和由来[1]。大体上，他认为介质球所受力等于一个波印亭矢量的变化，而这个变化为施行FDTD方法时，确定好一个固定的时间步数，先仿真不存在介质球时波印亭矢量的空间分布情况；当在仿真区域内放入一介质球时，波印亭矢量的空间分布将发生变化，而这一变化的大小，作者认为，等同于（或至少正比于）介质球所受的光作用力。取一合适区域，将这一区域内两种情况下的场值累加，再用后者减去前者，即可得所受总作用力：2.光镊原理•基于动量守恒原理的光阱力计算方法BJEf电荷受电磁场的作用力由洛仑兹力公式表示。以f表示作用力密度VSVVTdSdVTgdVtfdVdd左边是V内电荷系统和电磁场的总动量变化率，右边表示由V外通过界面S流进V内的动量流。2.光镊原理kikiikikHHEEHET010202102T为电磁场动量流密度张量，或称为电磁场应力张量(stresstensor)，其面积分表示V外通过界面S流入到V区域内的动量流，此方法具有如下优点：1.计算受力时只需要取包围粒子的闭合曲面即可，不必考虑粒子的具体形状，从而为计算带来极大的方便。2.此方法计算受力时，实际考虑的是系统内动量的变化，所以计算时不用考虑光源的形状因素，适合于各种特殊场合、特别是光源无法用解析方程描述的情况下的应用。2.光镊原理XZdzdxSphere(n,r)OpticalsourceSourcecenterlinePMLSzxzxyzdzEEdxEEHF*1021021020Re2121SzxxzyxdxEEdzEEHF*1021021020Re2121利用探针尖端附近局域增强场所产生的强梯度力来捕获纳米微粒。近场光镊3.多种形式的光镊系统近场光镊3.多种形式的光镊系统3.多种形式的光镊系统3.多种形式的光镊系统