Вращение эллипсоидальной диэлектрической частицы в фокусе гауссова пучка с круговой поляризацией
Автор: Налимов Антон Геннадьевич, Стафеев Сергей Сергеевич
Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics
Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии
Статья в выпуске: 4 т.44, 2020 года.
Бесплатный доступ
В работе рассмотрены силы и моменты сил, действующие в фокусе сферической волны с круговой поляризацией на эллипсоидальную диэлектрическую частицу. Расчёты проведены на основе поля дифракции, полученного методом FDTD, расчёт силы и момента силы проводился с помощью тензора напряжений Максвелла. Показано, что в фокусе сферической волны с круговой поляризацией на эллипсоид относительно его центра действует момент силы, который будет стремиться вращать его вокруг оптической оси. При этом эллипсоид расположен в поперечной плоскости к оптической оси. При смещении эллипсоида с оптической оси возникает сила со стороны света, препятствующая этому смещению, то есть на оптической оси частица будет находиться в оптической ловушке.
Сила, момент силы, оптический пинцет, тензор напряжений максвелла, вращение
Короткий адрес: https://sciup.org/140250023
IDR: 140250023 | DOI: 10.18287/2412-6179-CO-693
Список литературы Вращение эллипсоидальной диэлектрической частицы в фокусе гауссова пучка с круговой поляризацией
- Sraj, I. Dynamic ray tracing for modeling optical cell manipulation / I. Sraj, A.C. Szatmary, D.W.M. Marr, C.D. Eggleton // Optics Express. - 2010. - Vol. 18. - P. 16702-16714.
- Zhong, M. Measurement of interaction force between RGD-peptide and Hela cell surface by optical tweezers / M. Zhong, G. Xue, J. Zhou, Z. Wang, Y. Li // Chinese Optics Letters. - 2012. - Vol. 10, Issue 10. - 101701.
- Zhou, J.H. Calculation of optical forces on an ellipsoid using vectorial ray tracing method / J.H. Zhou, M.C. Zhong, Z.Q. Wang, Y.M. Li // Optics Express. - 2012. - Vol. 20. - P. 14928-14937.
- Liu, S. Miniaturized optical fiber tweezers for cell separation by optical force / S. Liu, Z. Li, Z. Weng, Y. Li, L. Shui, Z. Jiao, Y. Chen, A. Luo, X. Xing, S. He // Optics Letters. - 2019. - Vol. 44. - P. 1868-1871.
- Drobczyński, S. Real-time force measurement in double wavelength optical tweezers / S. Drobczyński, K. Duś-szachniewicz // Journal of the Optical Society of America B. - 2017. - Vol. 34. - P. 38-43.
- Yu, Y. Methods of calibration to optical trapping force upon non-spherical cells / Y. Yu, Z. Zhang, Z. Li, X. Wang // Chinese Optics Letters. - 2006. - Vol. 4. - P. 722-724.
- Muradoglu, M. Optical force lateral push-pulling using focus positioning / M. Muradoglu, W.S.Y. Chiu, T.W. Ng // Journal of the Optical Society of America B. - 2012. - Vol. 29. - P. 874-880.
- Wang, D. Optical pulling force in periodic backward-wave waveguides / D. Wang, Z. Wang // Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America). - 2017. - FTh1H.4.
- Jing, P. Optical tweezers system for live stem cell organization at the single-cell level / P. Jing, Y. Liu, E.G. Keeler, N.M. Cruz, B.S. Freedman, L.Y. Lin // Biomedical Optics Express. - 2018. - Vol. 9. - P. 771-779.
- Mitri, F.G. Radiation force and torque on an elliptical cylinder illuminated by a TE-polarized non-paraxial focused Gaussian light sheet with arbitrary incidence / F.G. Mitri // Journal of the Optical Society of America A. - 2020. - Vol. 37. - P. 265-275.
- Spyratou, E. Red blood cell micromanipulation with elliptical laser beam profile optical tweezers in different osmolarity conditions / E. Spyratou, M. Makropoulou, A.A. Serafetinides // Proceedings of SPIE. - 2011. - Vol. 8092. - 80920T.
- Funk, M. Constant power optical tweezers with controllable torque / M. Funk, S.J. Parkin, A.B. Stilgoe, T.A. Nieminen, N.R. Heckenberg, H. Rubinsztein-Dunlop // Optics Letters. - 2009. - Vol. 34. - P. 139-141.
- Zhang, Y. Theoretical investigation on asymmetrical spinning and orbiting motions of particles in a tightly focused power-exponent azimuthal-variant vector field / Y. Zhang, Y. Xue, Z. Zhu, G. Rui, Y. Cui, B. Gu // Optics Express. - 2018. - Vol. 26. - P. 4318-4329. -
- DOI: 10.1364/OE.26.004318
- Ландау, Л.Д. Теория поля / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. М.: Наука, 1973. - 504 с. - 5-02-014420-7.
- ISBN: 5020144207
- Harada, Y. Radiation forces on a dielectric sphere in the Rayleigh scattering regime / Y. Harada, T. Asakura // Optics Communications. - 1996. - Vol. 124. - P. 529-541.
- Bekshaev, A.Y. Subwavelength particles in an inhomogeneous light field: optical forces associated with the spin and orbital energy flows / A.Ya. Bekshaev // Journal of Optics. - 2013. - Vol. 15. - 044004.
- Kotlyar, V.V. Analytical expression for radiation forces on a dielectric cylinder illuminated by a cylindrical Gaussian beam / V.V. Kotlyar, A.G. Nalimov // Optics Express. - 2006. - Vol. 14, Issue 13. - P. 6316-6321. -
- DOI: 10.1364/OE.14.006316
- Chang, S. Optical torque exerted on a homogeneous sphere levitated in the circularly polarized fundamental-mode laser beam / S. Chang, S.S. Lee // Journal of the Optical Society of America B. - 1985. - Vol. 2. - P. 1853-1860.
- Bezryadina, A. Tug-of-war optical tweezers to control cell clusters / A. Bezryadina, J. Lamstein, D. Preece, J.C. Chen, Z. Chen // Optics in the Life Sciences Congress, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America) - 2017. - OtM4E.5.
- Rykov, M.A. Modifying the laser beam intensity distribution for obtaining improved strength characteristics of an optical trap / M.A. Rykov, R.V. Skidanov // Applied Optics. - 2014. - Vol. 53, Issue 2. - P. 156-164. -
- DOI: 10.1364/AO.53.000156
- Wei, M.T. Three-dimensional optical force field on a Chinese hamster ovary cell in a fiber-optical dual-beam trap / M.T. Wei, K.T. Yang, A. Karmenyan, A. Chiou // Optics Express. - 2006. - Vol. 14. - P. 3056-3064.
- Fontes, A. Studying red blood cell agglutination by measuring electrical and mechanical properties with a double optical tweezers / A. Fontes, H.P. Fernandes, A.A. de Thomaz, L.C. Barbosa, M.L. Barjas-Castro, C.L. Cesar // Proceedings of SPIE. - 2007. - Vol. 6633. - 6633_26.
- Zhao, R. Optical forces in nanowire pairs and metamaterials / R. Zhao, P. Tassin, T. Koschny, C.M. Soukoulis // Optics Express. - 2010. - Vol. 18. - P. 25665-25676.
- Pedaci, F. Calibration of the optical torque wrench / F. Pedaci, Z. Huang, M. Oene, N.H. Dekker // Optics Express. - 2012. - Vol. 20. - P. 3787-3802.
- Li, M. Intrinsic optical torque of cylindrical vector beams on Rayleigh absorptive spherical particles / M. Li, S. Yan, B. Yao, M. Lei, Y. Yang, J. Min, D. Dan // Journal of the Optical Society of America A. - 2014. - Vol. 31. - P. 1710-1715.
- Li, M. Optical trapping force and torque on spheroidal Rayleigh particles with arbitrary spatial orientations / M. Li, S. Yan, B. Yao, Y. Liang, G. Han, P. Zhang // Journal of the Optical Society of America A. - 2016. - Vol. 33. - P. 1341-1347. -
- DOI: 10.1364/JOSAA.33.001341
- Liu, J. Ray-optics model for optical force and torque on a spherical metal-coated Janus microparticle / J. Liu, C. Zhang, Y. Zong, H. Guo, Z.Y. Li // Photonics Research. - 2015. - Vol. 3. - P. 265-274.
- Biener, G. Optical torques guiding cell motility / G. Biener, E. Vrotsos, K. Sugaya, A. Dogariu // Optics Express. - 2009. - Vol. 17. - P. 9724-9732.
- Nieto-Vesperinas, M. Optical torque on small bi-isotropic particles / M. Nieto-Vesperinas // Optics Letters. - 2015. - Vol. 40. - P. 3021-3024.
- Rockstuhl, C. Calculation of the torque on dielectric elliptical cylinders / C. Rockstuhl, H.P. Herzig // Journal of the Optical Society of America A. - 2005. - Vol. 22, Issue 1. - P. 109-116. -
- DOI: 10.1364/josaa.22.000109
- Налимов, А.Г. Расчёт момента силы, действующей со стороны цилиндрического гауссова пучка на цилиндрическую микрочастицу / А.Г. Налимов, В.В. Котляр / Компьютерная оптика. - 2007. - Т. 31, № 2. - С. 16-20.
- Kotlyar, V.V. Calculating the pressure force of the non-paraxial cylindrical Gaussian beam exerted upon a homogeneous circular-shaped cylinder / V.V. Kotlyar, A.G. Nalimov // Journal of Modern Optics. - 2006. - Vol. 53, Issue 13. - P. 1829-1844. -
- DOI: 10.1080/09500340600653188
- Котляр, В.В. Передача спинового углового момента диэлектрической микрочастице / В.В. Котляр, А.Г. Налимов, А.А. Ковалёв, А.П. Порфирьев, С.С. Стафеев // Компьютерная оптика. - 2020. - Т. 44, № 3. - С. 333-342. -
- DOI: 10.18287/2412-6179-CO-686
Статья научная
