光镊技术的基本原理
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2.光镊原理
2.2小球受光阱力的计算方法
A.第一类粒子Mie Particle
当粒子半径R远远大于入射光波在真空中的波长
R5
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 )
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2.光镊原理
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近场光镊
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。
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3.多种形式的光镊系统
近场光镊
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3.多种形式的光镊系统
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3.多种形式的光镊系统
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3.多种形式的光镊系统
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2.光镊原理
B.第二类粒子Rayleigh Particles
当粒子半径R远远小于入射光波在真空中的波长
R 1
20 所采用的计算方法：用瑞利散射的理论进行近似计算
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2.光镊原理
将粒子视为电偶极子（electric dipole）
应用电偶极子对电磁波的散射理论计算散射力
F sc(a z,tr)8 3n c2k4a6 m m 2 2 1 2 2S(z,r)T
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2.光镊原理
• 基于动量守恒原理的光阱力计算方法
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
f EJB
d
Vfd d V tV gd V V T d V S dT S
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。
C.第三类粒子（ R~ 的粒子 ）
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（Finite Element Method ) ，有限微分时域算法 (FDTD)，离散偶极子近似算法(Discrete Dipole Approximation)，T矩阵算. 法（T-matrix method）等等。
应用感应电偶极子受洛仑兹力计算梯度力
Fgra(zd,r)8nc2a3m m22 122PzR 2w 02 (zz0w)ei62r2/wi2 wi22r2
k Ze e 2
r2/wi2 r2/wr2
R
wrwi
sin.)(
2(zz0)e2r2 wr6
/wr2
wr22r2
.
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2.光镊原理
光镊
—研究微观世界的新手段
哈尔滨工程大学理学院 刘志海. 副教授
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
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2.光镊原理
dz
Sphere (n, r)
dx
Optical source
PML
wk.baidu.com
Z Source center line
X
F z 1 2 S 1 20 H y 2 0 1 E x 2 0 1 E z 2 d 0 x 1 R E x E z * e d z
F x 1 2 S 1 20 H y 2 0 1 E z .2 0 1 E x 2 d 0 z 1 R E x E z * e d x
• 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：
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2.光镊原理
T为电磁场动量流密度张量，或称为电磁场 应力张量(stress tensor)，其面积分表示V外 通过界面S流入到V区域内的动量流，
T ik 01E 2 2 0H 2 ik 01 E iE k0 H iH k
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
2.2小球受光阱力的计算方法
A.第一类粒子Mie Particle
当粒子半径R远远大于入射光波在真空中的波长
R5
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 )
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2.光镊原理
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近场光镊
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。
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3.多种形式的光镊系统
近场光镊
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3.多种形式的光镊系统
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3.多种形式的光镊系统
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3.多种形式的光镊系统
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2.光镊原理
B.第二类粒子Rayleigh Particles
当粒子半径R远远小于入射光波在真空中的波长
R 1
20 所采用的计算方法：用瑞利散射的理论进行近似计算
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2.光镊原理
将粒子视为电偶极子（electric dipole）
应用电偶极子对电磁波的散射理论计算散射力
F sc(a z,tr)8 3n c2k4a6 m m 2 2 1 2 2S(z,r)T
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2.光镊原理
• 基于动量守恒原理的光阱力计算方法
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
f EJB
d
Vfd d V tV gd V V T d V S dT S
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。
C.第三类粒子（ R~ 的粒子 ）
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（Finite Element Method ) ，有限微分时域算法 (FDTD)，离散偶极子近似算法(Discrete Dipole Approximation)，T矩阵算. 法（T-matrix method）等等。
应用感应电偶极子受洛仑兹力计算梯度力
Fgra(zd,r)8nc2a3m m22 122PzR 2w 02 (zz0w)ei62r2/wi2 wi22r2
k Ze e 2
r2/wi2 r2/wr2
R
wrwi
sin.)(
2(zz0)e2r2 wr6
/wr2
wr22r2
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2.光镊原理
光镊
—研究微观世界的新手段
哈尔滨工程大学理学院 刘志海. 副教授
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
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2.光镊原理
dz
Sphere (n, r)
dx
Optical source
PML
wk.baidu.com
Z Source center line
X
F z 1 2 S 1 20 H y 2 0 1 E x 2 0 1 E z 2 d 0 x 1 R E x E z * e d z
F x 1 2 S 1 20 H y 2 0 1 E z .2 0 1 E x 2 d 0 z 1 R E x E z * e d x
• 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：
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2.光镊原理
T为电磁场动量流密度张量，或称为电磁场 应力张量(stress tensor)，其面积分表示V外 通过界面S流入到V区域内的动量流，
T ik 01E 2 2 0H 2 ik 01 E iE k0 H iH k
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。