基于FDTD的单光镊光阱力计算

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光镊技术是以非接触的方式捕获操纵微纳米尺度的粒子,自1986发明以来,它已应用于物理、化学、生物、材料、纳米技术等诸多领域。相对于光镊实验技术的快速发展,对光镊的理论分析计算较为滞后,因此有必要研究和完善光镊理论。由于实验中众多的研究对象的尺寸在λ/10~10λ(λ为入射光波长)范围,需要采用严格的电磁理论来进行计算,而时域有限差分法即FDTD可以处理复杂形状目标的电磁散射、辐射等问题,同时给出电磁场的时间演化过程,因而被用于本文中数值仿真光镊捕获微球的光阱力。   本文采用三维时域有限差分法(FDTD)和Maxwell应力张量法建立了单光镊在焦点附近捕获球形微粒的光阱力模型,采用基于球矢量波函数(VSWF)的五阶高斯光源作为仿真光源,得到了准确的光场传播。讨论了光源的波长、束腰、偏振态和微球的半径、折射率对光阱力的影响,分析了在单光镊捕获微球时,邻近微球对光阱力的影响。特别研究了光源的偏振态对微球所受光阱力的作用效果,结果表明圆偏振光比线偏振光对微球的捕获力更大;被光镊稳定捕获的微球,会受到邻近微球干扰,失去平衡状态,改变光源的偏振态可以改变微球的受力状态。本文的仿真结果对于后续的实验研究具有指导作用。
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