平行光全反射迅衰场中光辐射力及其规律.pdf

上海理工大学学报
第32卷第3期
J. University of Shanghai for Science and Technology
Vol,32No.32010
文章编号:1007-6735(2010)03-0235-07
平行光全反射迅衰场中光辐射力及其规律
王兵善,沈建琪,王华睿,卢进灯
(上海理工大学理学院,上海200093)
摘要:利用Mie散射理论和电偶极子近似理论,计算了球形颗粒在全反射迅衰场中受到的光辐射
力,得到了光辐射力随颗粒与分界面之间距离、入射角、颗粒半径和颗粒折射率的变化曲线,分析了
光辐射力随相应参数的变化规律并且给予物理解释
关键词:光辐射力;纳米颗粒;迅衰场;梯度力;散射力
中图分类号:0436.2
文献标志码:A
Radiation force and its properties in the evanescent field
generated by the total reflection of a planar wave
WANG Bing-shan, SHEN Jian-qi, WANG Hua-rui, LU Jin- der
College of Science, Univerity of Shanhai for Science m Technoloy, hahi0009, Chi)
Abstract: The optical radiation force on a dielectric sphere in the evanescent field created by the
total internal reflection of a planar wave were calculated, wherein both the classical Mie scattering
theory and the dipole approximation were employed. The dependences of the radiation force on the
relative parameters including the distance between the particle centre and the interface, the inci
dent angle of the planar wave, the particle size and its refractive index were obtained numerically
The properties of the radiation force were analyzed and the corresponding interpretations were gi
Key words: radiation force; nanoparticle; evanescent field; radient force; scattering
force
光波作为电磁波的一种,不仅携带能量,而且携论和适用于小颗粒(粒径小于波长20倍)的电偶
带动量.光与物质相互作用包含着能量和动量的传极子近似模型?.基于Mie散射理论的光辐射模
递,意味着光波对微粒存在力的作用,即光辐射力型既适用于大颗粒也适用于小颗粒,但只能解决
自 Ashkin等の人第一次证实了光辐射力可用来球形颗粒的情况,对于非球形颗粒,相应的理论模型
捕获纳米和微米级颗粒以来,光辐射力得到广泛重有T矩阵模型、分离偶极子模型-川和有限差
视和应用,如生物医学中细胞操纵、微粒组装[时域方法等,纳米流体因其具有独特的性能已经
等.研究人员给出了描述光辐射力的多种理论,如适在化工、运输、航天和微电子行业得到应用.对于流
用于大颗粒(粒径大于波长10倍)的几何光学理体内与纳米颗粒有关的多个参数(粒径、浓度、运动
收稿日期:2009-12-14
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50876069);上海市研究生创新基金资助项目( JWCXSL0902)
作者简介:王兵善(1983-),男,硕士研究生.E-mail:wangbingshan1yahoo.com.cn
上海理工大学学报
2010年第32卷
特征等)的测试,光散射法作为一种非接触测量方法
被认为是最有前途的测试手段.纳米流体的光散射
測量包含了流体内部颗粒参数的测量和流体边界层
颗粒参数的测量.流体边界层光散射测量的关键技式中,o为入射光的角频率;c为真空中光速.阻尼
术是将光照区域限制在流体边界层附近的有限厚度系数之倒数表示迅衰场的最大传播距离,称作透射
范围内,可通过全反射技术实现311.相对应的研深度,即
究内容包括全反射衰减场中颗粒的散射光分布和颗
(sin2O1-m2:)-12
粒所受到的光辐射力等问题.本文根据 Almaas等人
的基于严格Mie散射理论的光辐射模型门和电偶用exp(iy)表示在边界处的相位交化项,其中
极子近似理论模型?,通过数值计算研究平行光全
sina
反射衰减场作用在非吸收球形颗粒上的光辐射力
分析光辐射力与颗粒离开分界面的距离、平行光的
将半径为α、折射率为m3的颗粒放置在(x'=
人射角、颗粒粒径和颗粒折射率这些参数的相互关A,y'=2=0)处以颗粒球的中心为坐标原点,建
系,由此得到光辐射力的变化规律
立新坐标系(x,y,x),并通过坐标变换得到球坐标
系下的迅衰场电场径向分量?
1全反射迅衰场中光辐射力理论
Tl EYL sin 01 sin acos
21
1.1全反射迅衰场
(sin? -n21)/2 cos 6]+ T E1)si
如图1所示,平行光从下方照射到介质分界面
sin 9)exp(-b(a +h)+ iye
(图1中'=0处),由折射率为m1介质(光密介
质)射向折射率为m2介质(光疏介质),当人射角大据电场和磁场之间关系Hュ=veo/o。B,n,可
于临界角(即B1>0om= arcsin2)时,在介质2内得磁场径向分量
分界面附近形成一个迅衰场( evanescent field).其HP={T⊥HP[- sin 0 Sincosφ
振幅随离开分界面距离x'增加而迅速衰减,用
i(sin20,%2)72cos0]+n2 Tl H
exp(-Ra')表示振幅的衰减项,迅衰场的阻尼系
sinesin 9 exp(-/(a+ h)+iy)(4)
数为
式中,B1、H』为电场和磁场平行入射平面分量;
B」、H⊥为电场、磁场垂直入射平面分量;T、T」
为透射率即透射光与入射光电场平行、垂直分量振
幅之比,即
T i cos+i(sin))12 (5)
(6
cos0,+i(sin201-n3)1/2
图1全反射迅衰场
1.2力的表达式
Fig1 Evanescent field caused by total
根据 Almaas等人的基于Mie散射理论的光辐
internal reflection
射模型,球形颗粒受到的光辐射力表达式为715-1?
(21+1)(2L+3)
(し+2)[20るcz,nat+1,m+1
2a1,mA+1,m+1+7れ2A,mは
B1B
+B, , b
l-+2)(-m2+1)
(2L+1)(2L+3)
1(+2)「2