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光镊技术利用高度聚焦的激光束产生的梯度力来捕获和操控微观粒子,在生物物理和微纳操控领域有重要应用。本文主要探讨如何通过Matlab工具对光场中的光镊辐射力进行数值模拟。
辐射力的产生机理主要来源于光场的梯度力与散射力的共同作用。在模拟过程中需要重点关注两个关键参数:激光束的强度分布以及微粒的折射率特性。通过麦克斯韦应力张量法或等效偶极子近似法可以建立辐射力的计算模型,其中前者精度更高但计算量较大,后者适合快速估算。
在Matlab中实现时会涉及以下核心环节:首先建立高斯光束的数学模型来描述光场分布;其次通过离散化处理将连续的力场转化为网格点上的数值计算;最后利用矢量叠加原理积分得到总作用力。为了提升计算效率,可以采用快速傅里叶变换来优化光场传播的计算过程。
该模拟程序可进一步扩展用于研究不同粒径、光束模式(如涡旋光)下的力场特性,或结合布朗运动模型分析粒子动力学行为。验证时需注意实验参数(如激光功率、数值孔径)与仿真模型的一致性,典型的误差来源包括傍轴近似失效和介质边界效应。