运用四元数分析椭球微粒所受的光阱力

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张书赫, 梁振, 周金华. 2017: 运用四元数分析椭球微粒所受的光阱力, 物理学报, 66(4): 324-331. doi: 10.7498/aps.66.048701
引用本文: 张书赫, 梁振, 周金华. 2017: 运用四元数分析椭球微粒所受的光阱力, 物理学报, 66(4): 324-331. doi: 10.7498/aps.66.048701
Zhang Shu-He, Liang Zhen, Zhou Jin-Hua. 2017: Using quaternions to analyze the trapping force of an ellipsoidal bead, Acta Physica Sinica, 66(4): 324-331. doi: 10.7498/aps.66.048701
Citation: Zhang Shu-He, Liang Zhen, Zhou Jin-Hua. 2017: Using quaternions to analyze the trapping force of an ellipsoidal bead, Acta Physica Sinica, 66(4): 324-331. doi: 10.7498/aps.66.048701

运用四元数分析椭球微粒所受的光阱力

Using quaternions to analyze the trapping force of an ellipsoidal bead

  • 摘要: 在光镊的射线模型中,追迹光线在界面的折射反射光是较基本的也是较复杂的问题.传统的几何光学法计算光线的方位,对于一些不规则的物体来说,存在一定的困难度.本文提出使用四元数简化空间光线追迹,从而可计算非球形颗粒的光阱力.以入射光线和界面法线的外积确定入射面的法线为旋转轴;根据折射定律确定由入射光线旋转到反射光线和折射光线的角度.将入射光线以四元数表示,根据四元数旋转,可获得反射光线和折射光线的空间矢量.根据光子的动量变化,求得光阱对微粒的作用力.本文以球差影响下的不同形变的椭球为计算示例,模拟了椭球在光阱下的动力学行为,结果表明椭球的横向和轴向俘获效率受到各方向变形系数的影响;球差增大降低了轴向的最大俘获效率,稳定俘获位置也随之朝负轴偏离中心更远;在固定球差作用下,最大轴向俘获效率与轴向变形系数相关,在特定的变形下轴向俘获效率变得较大.由此验证了四元数方法的正确性、实用性与普遍性.
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出版历程

运用四元数分析椭球微粒所受的光阱力

  • 安徽医科大学生物医学工程系,合肥,230032

摘要: 在光镊的射线模型中,追迹光线在界面的折射反射光是较基本的也是较复杂的问题.传统的几何光学法计算光线的方位,对于一些不规则的物体来说,存在一定的困难度.本文提出使用四元数简化空间光线追迹,从而可计算非球形颗粒的光阱力.以入射光线和界面法线的外积确定入射面的法线为旋转轴;根据折射定律确定由入射光线旋转到反射光线和折射光线的角度.将入射光线以四元数表示,根据四元数旋转,可获得反射光线和折射光线的空间矢量.根据光子的动量变化,求得光阱对微粒的作用力.本文以球差影响下的不同形变的椭球为计算示例,模拟了椭球在光阱下的动力学行为,结果表明椭球的横向和轴向俘获效率受到各方向变形系数的影响;球差增大降低了轴向的最大俘获效率,稳定俘获位置也随之朝负轴偏离中心更远;在固定球差作用下,最大轴向俘获效率与轴向变形系数相关,在特定的变形下轴向俘获效率变得较大.由此验证了四元数方法的正确性、实用性与普遍性.

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