Воздействие оптических сил на неоднородные анизотропные частицы

  • Андрей Викторович Новицкий Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь; Институт фотоники Технического университета Дании, ул. Эрстеда, 343, 2800, г. Конгенс Люнгбю, Дания
  • Ричард Хосе Альварес Родригес Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Владимир Михайлович Галынский Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Рассчитаны оптические силы и моменты сил, действующие на неоднородные анизотропные сферические ицилиндрические частицы в поле пары плоских электромагнитных волн. Вычисление оптических сил реализовано в дипольном приближении с использованием аналитических выражений для поляризуемостей частиц, а также численно с учетом высших мультипольных моментов. Проведено сравнение этих двух способов расчета и показано их согласование в области применимости дипольного приближения. Найдены условия притяжения неоднородных частиц световым пучком без градиента интенсивности. Выполнено сравнение результатов для однородных и неоднородных сферических частиц. Установлено, что неоднородность рассеивателя сдвигает мультипольные резонансы, предоставляя еще одно средство управления величиной и направлением оптической силы. Рассчитан спиновый момент сил в дипольном приближении. Показано, что как в случае сферической, так и цилиндрической неоднородной частицы он отличен от нуля для нелинейно-поляризованной падающей волны. Результаты данной работы могут найти применение при создании новых типов динамических метаматериалов, а также при описании движения сложных объектов в оптических пинцетах.

Биографии авторов

Андрей Викторович Новицкий, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь; Институт фотоники Технического университета Дании, ул. Эрстеда, 343, 2800, г. Конгенс Люнгбю, Дания

доктор физико-математических наук, доцент; профессор кафедры теоретической физики и астрофизики физического факультета БГУ; старший научный сотрудник лаборатории метаматериалов Института фотоники Технического университета Дании

Ричард Хосе Альварес Родригес, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

аспирант кафедры теоретической физики и астрофизики физического факультета. Научный руководитель – А. В. Новицкий

Владимир Михайлович Галынский, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; доцент кафедры теоретической физики и астрофизики физического факультета

Литература

  1. Maxwell J. K. A Treatise on Electricity and Magnetism. New York : Dover Publications Inc., 1954.
  2. Lebedew P. N. Untersuchungen über die Druckkräfte des Lichtes. Annalen der Physik. 1901. Vol. 6. P. 433–460. DOI: 10.1002/andp.19013111102.
  3. Panah M. E. A., Semenova E., Lavrinenko A. Enhancing Optical Forces in InP-Based Waveguides. Sci. Rep. 2017. Vol. 7. Article ID: 3106. DOI: 10.1038/s41598-017-03409-1.
  4. Armata F., Latmiral L., Pikovski I., et al. Quantum and classical phases in optomechanics. Phys. Rev. A. 2016. Vol. 93. Article ID: 063862. DOI: 10.1103/PhysRevA.93.063862.
  5. Groblacher S., Hammerer K., Vanner M. R., et al. Observation of strong coupling between a micromechanical resonator and an optical cavity field. Nature. 2009. Vol. 460. P. 724–727. DOI: 10.1038/nature08171.
  6. Usami K., Naesby A., Bagci T., et al. Optical cavity cooling of mechanical modes of a semiconductor nanomembrane. Nat. Phys. 2012. Vol. 8. P. 168–172. DOI: 10.1038/NPHYS2196.
  7. Kippenberg T. J., Vahala K. J. Cavity optomechanics: Back-action at the mesoscale. Science. 2008. Vol. 321. P. 1172–1176. DOI: 10.1126/science.1156032.
  8. Ashkin A., Dziedzic M. J., Bjorkholm E. J., et al. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles. Opt. Lett. 1986. Vol. 11. P. 288–290. DOI: 10.1364/OL.11.000288.
  9. Grier D. G. A revolution in optical manipulation. Nat. Photonics. 2003. Vol. 424. P. 810–816. DOI: 10.1038/nature01935.
  10. Dholakia K., Zemánek P. Colloquium: Gripped by light: Optical binding. Rev. Mod. Phys. 2010. Vol. 82. P. 1767–1791. DOI: 10.1103/RevModPhys.82.1767.
  11. Diekmann R., Wolfson D. L., Spahn C., et al. Nanoscopy of bacterial cells immobilized by holographic optical tweezers. Nat. Commun. 2016. Vol. 7. Article ID: 13711. DOI: 10.1038/ncomms13711.
  12. Bui A. A. M., Stilgoe A. B., Lenton I. C. D., et al. Theory and practice of simulation of optical tweezers. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 2017. Vol. 195. P. 66–75. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2016.12.026.
  13. Drobczyński S., Katarzyna Prorok, Konstantin Tamarov, et al. Toward Controlled Photothermal Treatment of Single Cell: Optically Induced Heating and Remote Temperature Monitoring In Vitro through Double Wavelength Optical Tweezers. ACS Photonics. 2017. Vol. 4. P. 1993–2002. DOI: 10.1021/acsphotonics.7b00375.
  14. Chen J., Ng J., Lin Z., et al. Optical pulling force. Nat. Photonics. 2011. Vol. 5. P. 531–534. DOI: 10.1038/nphoton.2011.153.
  15. Novitsky A., Qiu C.-W., Wang H., et al. Single Gradientless Light Beam Drags Particles as Tractor Beams. Phys. Rev. Lett. 2011. Vol. 107. Article ID: 203601. DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.203601.
  16. Sukhov S., Dogariu A. Negative nonconservative forces: Optical «tractor beams» for arbitrary objects. Phys. Rev. Lett. 2011. Vol. 107. Article ID: 203602. DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.203602.
  17. Jackson J. D. Classical electrodynamics. New York : John Wiley and Sons, 1998.
  18. Nieto-Vesperinas M., Sáenz J. J., Gómez-Medina R., et al. Optical forces on small magnetodielectric particles. Opt. Express. 2010. Vol. 18. P. 11428–11443. DOI: 10.1364/OE.18.011428.
  19. Goldstein M., Michalik E. R. Theory of Scattering by an Inhomogeneous Solid Possessing Fluctuations in Density and Anisotropy. J. Appl. Phys. 1955. Vol. 26. P. 1450–1457. DOI: 10.1063/1.1721930.
  20. Simpson S. H., Hanna S. Application of the discrete dipole approximation to optical trapping calculations of inhomogeneous and anisotropic particles. Opt. Express. 2011. Vol. 19. P. 16526–16541. DOI: 10.1364/OE.19.016526.
  21. Hellesø O. G. Optical pressure and numerical simulation of optical forces. Appl. Opt. 2017. Vol. 56. P. 3354–3358. DOI: 10.1364/AO.56.003354.
  22. Novitsky A., Ding W., Wang M., et al. Pulling cylindrical particles using a soft-nonparaxial tractor beam. Sci. Rep. 2017. Vol. 7. Article ID: 652. DOI: 10.1038/s41598-017-00735-2.
  23. Chaumet P. C., Rahmani A. Electromagnetic force and torque on magnetic and negative-index scatterers. Opt. Express. 2009. Vol. 17. P. 2224–2234. DOI: 10.1364/OE.17.002224.
  24. Novitsky A. V., Alvarez Rodriguez R. J., Galynsky V. M. Calculation method for Mie scattering coefficients by inhomogeneous bianisotropic spherical particle within the operator scattering theory. J. Belarus. State Univ. Phys. 2018. No. 1. P. 25–32 (in Russ.).
  25. Novitsky A. V., Alvarez Rodriguez R. J., Galynsky V. M. Spherical Bessel solutions of Maxwell’s equations in inhomogeneous rotationally symmetric media. J. Belarus. State Univ. Phys. 2017. No. 1. P. 52–60 (in Russ.).
  26. Novitsky A. V., Alvarez Rodriguez R. J., Galynsky V. M. Electromagnetic wave scattering by inhomogeneous cylindrically symmetric bianisotropic objects. J. Belarus. State Univ. Phys. 2017. No. 3. P. 41–49 (in Russ.).
  27. Novitsky A., Shalin A. S., Lavrinenko A. V. Spherically symmetric inhomogeneous bianisotropic media: Wave propagation and light scattering. Phys. Rev. A. 2017. Vol. 95. Article ID: 053818. DOI: 10.1103/PhysRevA.95.053818.
  28. Novitsky A., Qiu C.-W. Pulling extremely anisotropic lossy particles using light without intensity gradient. Phys. Rev. A. 2014. Vol. 90. Article ID: 053815. DOI: 10.1103/PhysRevA.90.053815.
  29. Gao D., Novitsky A., Zhang T., et al. Unveiling the correlation between non-diffracting tractor beam and its singularity in Poynting vector. Laser & Photonics Rev. 2015. Vol. 9. P. 75–82. DOI: 10.1002/lpor.201400071.
Опубликован
2019-01-20
Ключевые слова: оптические силы, рассеяние света, коэффициенты Ми, поляризуемости, мультиполи, электромагнитные волны
Поддерживающие организации Авторы благодарят Белорусский республиканский фонд фундаментальных исследований (грант № Ф16Р-049) за финансовую поддержку.
Как цитировать
Новицкий, А. В., Родригес, Р. Х. А., & Галынский, В. М. (2019). Воздействие оптических сил на неоднородные анизотропные частицы. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 2, 97-106. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/491
Выпуск
№ 2 (2018): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика электромагнитных явлений

Copyright (c) 2018 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).