(44-4) 09 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Вращение эллипсоидальной диэлектрической частицы в фокусе Гауссова пучка с круговой поляризацией
А.Г. Налимов 1,2, С.С. Стафеев 1,2

1 ИСОИ РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН,
443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151,
2 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва,
443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, д. 34

 PDF, 2208 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-693

Страницы: 561-567.

Аннотация:
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.

Ключевые слова:
сила, момент силы, оптический пинцет, тензор напряжений Максвелла, вращение.

Благодарности
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда в частях «Теоретическое основание», «Расчёт момента силы в безвихревом поле» (грант 18-19-00595), Российского фонда фундаментальных исследований (грант 18-29-20003) в части «Расчёт силы и момента силы в вихревом поле», а также Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН (соглашение № 007-ГЗ/Ч3363/26) в частях «Введение» и «Заключение».

Цитирование:
Налимов, А.Г. Вращение эллипсоидальной диэлектрической частицы в фокусе Гауссова пучка с круговой поляризацией / А.Г. Налимов, С.С. Стафеев // Компьютерная оптика. – 2020. – Т. 44, № 4. – С. 561-567. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-693.

Citation:
Nalimov AG, Stafeev SS. Rotation of an elliptical dielectric particle in the focus of a circularly polarized Gaussian beam. Computer Optics 2020; 44(4): 561-567. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-693.

Литература:
  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. Ландау, Л.Д. Теория поля / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. М.: Наука, 1973. – 504 с. – ISBN: 5-02-014420-7.
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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.
  18. 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.
  19. 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.
  20. 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.
  21. 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.
  22. 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.
  23. 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.
  24. 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.
  25. 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.
  26. 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.
  27. 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.
  28. Biener, G. Optical torques guiding cell motility / G. Biener, E. Vrotsos, K. Sugaya, A. Dogariu // Optics Express. – 2009. – Vol. 17. – P. 9724-9732.
  29. Nieto-Vesperinas, M. Optical torque on small bi-isotropic particles / M. Nieto-Vesperinas // Optics Letters. – 2015. – Vol. 40. – P. 3021-3024.
  30. 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.
  31. 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.
  32. 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.
  33. 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.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20