Abstract:
This study analyzes the effect of optical forces, which include the gradient force and the scattering force, on the trajectory of a dielectric particle confined in an optical field under the Rayleigh regime. The study examines how the initial optical and environmental conditions affect the dynamic behavior and stability of the particle, in order to determine the optimal parameters that ensure its stability within the trap. Based on existing models, a mathematical analysis of the optical forces on dielectric particles in optical traps under the Rayleigh regime was carried out, extending the model for charged particles to dielectric particles in order to deduce the gradient and scattering forces acting on dielectric particles by a Gaussian beam. Additionally, numerical simulations with a polyethylene particle and a fiber laser were conducted to analyze its three-dimensional trajectory, considering projections in the transversal and longitudinal planes. The results showed that the gradient force dominates in the transversal plane, while the scattering force influences the longitudinal plane, varying with the laser intensity. A simple harmonic motion was observed in the transversal plane within the interval [−w05,+w05 ], and a polynomial curve trajectory in the longitudinal plane within the interval [0,zR5 ], with errors below 8%. This research enhances the understanding of the mechanisms behind particle trapping and manipulation, opening new opportunities for precise control at microscopic and nanometric scales, with applications in science and technology.
Keywords: Optical forces, Rayleigh regime, Gaussian beam, trajectory of a dielectric particle.
Description:
El presente estudio analiza el efecto de las fuerzas ópticas, que comprenden la fuerza de gradiente y la fuerza de scattering, sobre la trayectoria de una partícula dieléctrica confinada en un campo óptico bajo el régimen de Rayleigh. Se examinan cómo las condiciones ópticas y ambientales iniciales afectan el comportamiento dinámico y la estabilidad de la partícula, para determinar los parámetros óptimos que aseguren su estabilidad en el confinamiento. Tomando como referencia los modelos existentes, se realizó un análisis matemático de las fuerzas ópticas sobre partículas dieléctricas en trampas ópticas bajo el régimen de Rayleigh, extendiendo el modelo de partículas cargadas a partículas dieléctricas, para deducir las fuerzas de gradiente y scattering que actúan sobre partículas dieléctricas por un haz gaussiano. Además, se realizaron simulaciones numéricas con una partícula de polietileno y un láser de fibra permitieron analizar su trayectoria tridimensional, considerando proyecciones en los planos transversal y longitudinal. Los resultados mostraron que la fuerza de gradiente predomina en el plano transversal, mientras que la fuerza de scattering tiene influencia en el plano longitudinal, variando con la intensidad del láser. Se observó un movimiento armónico simple en el plano transversal dentro del intervalo [−w05,+w05 ], y una trayectoria de una curva polinómica en el plano longitudinal en el intervalo [0,zR5 ], con errores inferiores al 8%. Esta investigación mejora la comprensión de los mecanismos de atrapamiento y manipulación de partículas, abriendo nuevas oportunidades para su control preciso a escalas microscópicas y nanométricas, con aplicaciones en ciencia y tecnología.