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基于方位角展开与频谱展开的大尺寸颗粒非对称光镊力与刚度降维仿真
发布日期 2026
现有光镊全波模型多面向亚波长颗粒,例如案例库Application ID 144261中的250 nm二氧化硅微球。将直接三维方法扩展至例如10 μm大尺寸颗粒时,在保持相同网格分辨率的条件下,线尺度增加40倍,体网格数量理论上可增加约6.4万倍,导致自由度、内存占用和参数扫描成本急剧上升。针对这一难点,本研究自行建立二维轴对称波动光学模型,采用方位模态展开保留三维矢量电磁场信息,将非对称Gaussian光斑和光片分解为多个角向模态。轴向光力由各模态Maxwell应力张量求和获得,横向刚度由基态场与一阶位移微扰场的交叉应力张量及相邻模态对求和获得。自编后处理程序进一步完成模态检查、功率缩放、重力—浮力平衡搜索和稳定性判定。对1–10 μm聚苯乙烯微球及19 μm×1 μm光片的计算表明,该方法可显著降低大尺寸颗粒全波光镊仿真的计算规模,并获得轴向平衡位置及轴向、横向刚度。790–810 nm多波长结果还可用于120 fs脉冲频谱加权分析,为大尺寸颗粒、非对称光场和脉冲光镊提供可扩展的降维仿真方案。所得结果与三维结果对比取得较好一致性。
