英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
用瑞利模型计算电介质小球所受辐射压力
摘要
基模高斯光束照射下的电介质小球在瑞利散射下所受辐射压力的理论表达式可以根据MKS单位下的光束参数推出显式解。通过研究适当的纵向力的图解分析和从广义劳伦兹米氏理论得到的横向分量确定派生公式的正确性和作为散射力和梯度力总和的辐射力瑞利近似值的范围的有效性。从普通粒子尺寸范围内的瑞利散射理论发现相对较好的两部分一致性。此外，梯度力占主导地位，当微粒尺寸超过目前瑞利散射理论规定的微粒尺寸，一直到接近照明光束的光斑尺寸时，横向分量也与之前结论一致，这一结果令人满意。
1 介绍
自从Ashkin和他的同事加速开拓性工作以来，应用激光束的辐射压力已经在各个科学领域得到应用如双光束俘获，悬浮俘获和小粒子的单光束梯度力俘获。一个最成功的应用是在生物学中用于单光束梯度力的俘获（所谓的光镊），凭借它在粒子大小从几十纳米到几十微米范围内的非破坏性操作得到成功。在这个光阱中，高聚焦的激光束通过高数值孔径透镜的照明是必要的，得以实现一个稳定的单光束轴向光阱。激光辐射压力的另一个有趣的应用是在亚微米介质或半导体粒子的液态悬浮液组成的介质中以TEM00，TEM01，TEM*01模式的连续波激光束的自聚焦和自陷的非线性光学现象。在这种情况下，一个带有1到10lambda;大小的点的普通激光束被使用，其中lambda;为该介质的光的波长。因此，照射激光束的条件是类似于Ashkin的原始论文涉及的小颗粒的加速和悬浮俘获。在这种情况下，激光束的辐射力改变了粒子的运动就像在横向切面将粒子拉向了光束的高强度区域并将它们推到光束传播方向，最后重新组合粒子的空间分布造成在介质中一个有规律的折射率的空间变化。在亚微米和微米级的悬浮粒子的运动由于辐射压力造成的这些变化，通过光子相关光谱和光子相关测速仪被证明为TEM00激光束下的粒子大小的函数。这个实验研究最初被执行从探索激光束的辐射压力对散射光测量的相关函数，扩散系数和颗粒的动态光散射法粒子大小的错误影响进行的研究。关于这个主题的理论分析将被完善通过Fokker-Planck或Planck-Nernst的用于描述悬浮粒子受激光辐射压力影响的动态运动的粒子数密度方程，完成简论的理论研究和非简并四波混频实验。然而，它应该强调的是一个准确的简单的解析表达式，对于这个偏微分方程中被包含的辐射力是获得方程的解析所必需的。
粒子大小的限制条件是粒子的半径远小于光的波长，极限值叫做一个偶极或者瑞利值，在电磁波中用于描述粒子。在这种情况下，一个小介质球可以被视为一个感应的简单的点偶极子，这个偶极子的辐射力能被分为两部分：所谓的散射力分量和梯度力分量，由于偶极子的散射和洛伦兹力作用于诱导偶极，这两部分与电磁波的动量变化联系在一起。从散射角度的辐射压力和梯度力的描述是包含在Fokker-Planck公式中最有前途的表达式之一。在先前已经发表的论文中，当散射力分量被赋予作为光束强度函数时，在电场振幅方面给出了梯度力的大部分表达式。这意味着，为了计算散射力和梯度力的绝对值，我们必须在制定电磁理论时定义一个单位系统，必须得到定义强度和电场之间关系的函数。以往论文中的单位系统看似是高斯单位但并没有被明确定义。这一事实针对辐射压力提出了不明确的令人怀疑的方程，特别是对于梯度力分量。因此，单束光梯度力俘获的稳定性标准可能是可信的但仍值得怀疑。梯度力分量中的一个不明确表达式经常被试用的原因之一可能是它能解释在没有任何力的绝对值情况下粒子运动和相关的非线性光学现象的变化。另一个原因可能是梯度力表达式的正确性没有考虑到基于麦斯威尔方程的高斯光束光散射的严密理论获得的结果。
在本文中，辐射力横向分量和纵向分量的理论表达式来源于MKS单位中瑞利散射下的介电球体在以基本高斯模式相应的TEM00模式激光束照射下可测量物理量的一个函数。因为用于现有猜想的磁场和电场的描述只能用于高斯光束的零级近似，并不适用于一个高度聚焦的高斯光束，辐射压力的表达式不能被用于单光束梯度力俘获。然而不同于之前发表的结论，目前辐射力的表达式被描述通过辐射激光束在光斑尺寸和功率方面的强度分布，因此，表达式直接用于定量计算梯度力和散射力在弱聚焦高斯光束条件下。这些表达式的有效性是通过是适当的矩形元件的辐射力的图形比较和那些从广义劳伦兹米氏理论中得到的结论得以研究的，广义劳伦兹米氏理论是一个Mie理论的扩展版本，它使得计算散射场，强度和在高斯光束下施加于球体的辐射力变为可能。辐射压力瑞利近似值的有效范围也被以同样的方式研究和讨论。基于这些研究，单光束梯度激光陷阱的轴向稳定性的标准被Ashkin等人给出，通过高斯激光束在零级近似的框架内，重新考虑了标准。
2．介质球体上的辐射力理论
2.1 在MKS单位制波束参数
这里所考虑的几何图形在图1中被定义。在介电常数为ε2磁导率为mu;2的介质中半径为a介电常数为ε1的介质球被一束半径为omega;0基本模式下的线性偏振高斯光束照明在束腰的部分从-z传播到 z。电场的偏振方向平行于x轴。坐标系（x，y，z）的坐标中性OG位于束腰中心。粒子的中心Op位于坐标r（x，y，z）。
在近轴高斯光束照射下的零级近似值内，在振幅条件下的r位置的电场矢量通过下式被给出
E(r)=
（1）
其中是偏振方向的单位矢量，介质中的波数k通过得到（lambda;为在介质中的波长），E0为束腰中心OG（x=y=z=0）的电场强度。在这种近似情况下一个有关联的磁场矢量通过下式给出
（2）
其中是MKS单位制平面中介质的固有阻抗，n2是周围介质的折射率，是真空中的光速，ε0mu;0分别是真空中的介电常数和磁导率，对于非导电和磁性介质中的内在联系被用于上述公式。注意电磁波长矢量的实际物理量是时间和空间的真实函数，通过下式给出
（3）
（4）
其中omega;是光的时间角频率。在光束传播方向单位时间穿越单位面积的能量通量对应的坡印廷矢量通过下式给出
（5）
一个重要的可测量的物理量用来评估光的辐射力是在r(x,y,z)点光束强度或辐射度。这是一个用来定义平均时间坡印廷矢量的版本，通过下式给出
（6）
（7）
其中P为光束功率，通过代表归一化空间坐标，通过值得一提的是公式6中给出了电场的复振幅与MKS单位下谐波时间高斯光束的强度的一致关系。
换句话说，必须注意的是公式(1)到(7)不能描述高斯光束的严格行为，尤其不能描述紧密聚焦光束。这种情况下一个重要的参数是一个无量纲的参数，被下式给出
(8)
公式(1)(2)给出的描述仅仅是傍轴近似于高斯光束的标量波动方程和对于s对应的零级方法。因此，就如同，这些关于电场和磁场仅仅在横向分量的描述是相当准确的。然而，显而易见的是更高级的修正被要求描述紧密聚焦激光束，电场和磁场的所有相关联的矩形组件不能被忽略。Davis研究更正了对于线性极化矢量式情况下高斯光束描述的s的更高的价值。Barton和Alexander提出了对于高斯光束第五阶的同一种理论，计算从零阶到第五阶高斯光束在电场和磁场中的相对误差。根据他们的研究，零阶描述所包含的平均误差对于s=0.02()是0.817%，s=0.1()是4.37%。因此，要记住的是光束强度和下一小节给出的辐射力这两者的描述将带来根据s不同的幅度而造成的不确定性。
2.2 瑞利散射法中的辐射力
在图1中，如果粒子与波长相比足够小，它经历的瞬时电场由于电磁光束均匀程度，和静电学公式可以应用于这个主题。粒子的瞬时电场E(r,t)充当一个简单的点偶极子定位在它的中心,其偶极矩MKS单位通过[24,25]给出
其中是粒子的相对折射率。
第一节中解释,辐射压力施加在瑞利粒子政权可以被描述为两个组件在偶极子代理。这些力组件之一是所谓的散射力。谐波振荡的电场,电场诱导点偶极子遵循同步,然后,粒子作为振荡电偶极子辐射二级或散射波向四面八方扩散。这个散射事件变化的大小和方向的电磁波能量通量。也会发生相应的动量传递和散射力将这些变化对粒子。这个散射力由[6,19]给出
其中是粒子的辐射压力的横截面，是光束传播方向的单位向量。小的电介质粒子在瑞利散射法中粒子散射光各向同性的情况下，等于散射截面,在[25]中被给出
通过公式7,11代入公式10，散射力的光束强度分布被给出
另一个部分是一个梯度力在偶极子诱导下由于洛伦兹力作用在电磁场。通过使用公式9的电偶极矩作为一个静电学模拟电磁波，一个瞬时梯度力被描述
(15)
其中和公式6被使用。注意公式15包含不同的因素在先前的公式中。这个结果源于这样一个事实，目前是基于一个统一的MKS单位的系统中。还应该强调的是梯度力的表达在公式16被给出，基于MKS单位系统中。这将有利于计算梯度力和与散射力比较它的绝对值。进一步的梯度力实际表达式能通过公式7和16得到
与公式12的散射力比较，梯度力由3个矩形组件组成，充当回复力指向束腰中心在mgt;1的情况下，正比于。横向分量和很容易评估，取他们的最大值在（x,y,z）=()和(0,)，同样的，纵向分量
这里值得强调的是公式12的派生表达式和公式17-19一直在简单的封闭形式的函数参数的激光和粒子,我们可以预见他们的分析使用的福克-普朗克方程为研究粒子的运动的变化由于辐射压力和时间统计特性由这些粒子的光散射。然而,指出这些表达式只适用于一个傍轴高斯光束和s lt; 1或含有不确定性的大小取决于s的价值。
2.3 广义的洛伦兹米理论
为了检查的有效性得到表达式的辐射力量介质球的瑞利法,一个严格的理论的高斯光束散射辐射压力的需要提供正确的数据参考。在各种严格的理论,广义洛伦兹米理论(GLMT)已由Gouesbet 等人似乎是最好的候选人目前的目的,因为综合理论研究的顺序分析高斯光束近似错误的描述和在所谓的有限系列的有效性评估方法，局限的近似值模型描述波束形状系数和包括在GLMT中。原来的论文中描述的描述电场和磁场的入射高斯光束GLMT仍在一阶近似的s在戴维斯公式中，这意味着研究结果包含一个特定的错误的情况下严格聚焦束。最近发现, 然而,他们的局部模型准确地描述了一个聚焦高斯光束的对于近轴散射令，对于远轴散射。
在GLMT中,辐射压力作用于粒子,这是位于位置r图1的坐标系统,评估的三个截面, 的辐射压力。前两个是横向分量,而最后一个是纵向分量。这些横截面的详尽推导和表达式和广泛的数值结果给出引用在米氏粒子和几何光学法。
然这些截面可以用来评估相对辐射压力的大小,计算相应的辐射力量与他们的绝对值在一定的激光功率和一定的光斑大小是更可取的部队在一个现实的意义和评价直接比较他们与那些来自公式12和17-19。这可以通过使用一个类似的公式10与用光强在光束中心受力被下式给出
3 数值结果与讨论
3.1 辐射力纵向分量的比较
在这个和下面的章节中，由横向纵向分量组成的辐射力的空间变化由公式12和17-19以图形比较通过GLMT，公式的正确性在前一章节得到验证。
在图2,3中，辐射压力的纵向分量来自这两种方法比较图形的函数的归一化轴上位置和归一化的横向位置在平面上为。粒子的半径分别增加为(a)5nm,(b)10nm,(c)50nm,(d)100nm。因为我们在评估的特定利益的辐射力量和动力学的聚苯乙烯微球在水里的照明下适度集中的激光束，所有结果中给出的部分的相对折射率。此外,在真空波长,光斑大小的媒介,和现实选择激光功率。相应的无量纲参数同样等于0.012支持使用的零级描述高斯光束的电磁场。
图2,3中的ab两个小李子很好的看出了一致的结果，这意味着公式12,19可以描述辐射力在瑞利散射法中。它也表明,辐射散射力完全由梯度力和力的绝对值。在最小的粒子大小的限制在目前的结果，图2a和3a代表的能力稳定的单光束梯度力的粒子的轴向陷阱绘制粒子回梁中心克服了散射光束传播方向上的分力。在半径a= 10 nm纵向力直接作用于粒子作为加速向光束传播方向。注意,在加速力的最大值可以在z轴上的位置就在梁中心由于梯度和散射力。
在所谓的中间或米氏粒子大小，图2的cd和图3的cd，通过glmt获得的瑞利近似的组成部分纵向分力是不显著的。最大差异是发现在一个位置中心(x=y=z=0) 他们的绝对值可能依赖于粒子的大小。这些分歧可能来自于事实的偶极子近似小的光散射介质球不再持有的尺寸范围agt;是一个粗略的估计准则的瑞利散射理论。高估的散射力由于违反偶极子散射近似，似乎这些分歧的
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[149896]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
