شبیه سازی انتشار امواج الکترومغناطیسی در انبرک نوری به روش fdtd و محاسبه نیروی تله نوری

انبرک نوری با کانونی کردن نور لیزر توسط یک عدسی شیئی با دهانه ی عددی بالا، می تواند ذرات اطراف کانون را به تله بیاندازد. به دلیل امکان مطالعه انفرادی ذرات برهم کنش کننده با نور لیزر در انبرک نوری، این ابزار کاربرد گسترده ای در زمینه های مختلف علمی از قبیل فیزیک، شیمی و زیست شناسی یافته است. لذا بررسی های نظری و تجربی، جهت بهبود عملکرد آن از اهمیت بالایی برخوردار است. شبیه سازی انبرک نوری می تواند ضمن تأیید نتایج تجربی حاضر، نتایج آزمایش های احتمالی را پیش بینی نماید. تفاضلات متناهی در حوزه زمان (fdtd) روشی برای حل مسائل دارای معادلات زمانی و مکانی همزمان مانند معادلات ماکسول بوده و با انعطافی که دارد، کاربرد وسیعی در مسائل دقیق مهندسی الکترومغناطیس یافته است. برای مطالعه پراکندگی، دو فرمول بندی مرسوم fdtd ارائه شده است: میدان پراکندگی خالص و میدان کل – میدان پراکندگی. در فرمول بندی اول، برای میدان فرودی معین، میدان های پراکندگی از طریق محاسبه بدست می آیند. میدان کل از مجموع میدان پراکندگی (حاصل از محاسبه) و میدان فرودی قابل تعیین است. در فرمول بندی دوم، فضا به دو ناحیه ی میدان پراکندگی و میدان کل تقسیم شده و این میدان ها در نواحی مربوط با محاسبه بدست می آیند. در این پایان نامه، سعی بر این است که انتشار امواج الکترومغناطیسی نور لیزر در اطراف کانون عدسی با استفاده از fdtd شبیه سازی شود. بدین ترتیب مقادیر میدان های الکتریکی و مغناطیسی در زمان و مکان های مختلف محاسبه می شود. در نهایت، نیروی تابشی وارد بر ذره با استفاده از تانسور تنش ماکسول بدست می آید. بدین منظور، ابتدا روابط میدان های فرودی قبل از کانونی شدن معرفی شده و نحوه استخراج شکل کانونی آنها بیان می گردد. در ادامه روش تفاضلات متناهی در حوزه زمان (fdtd) شرح داده می شود. سپس برای شروع از فرمول بندی میدان پراکندگی خالص، جهت حصول مقادیر میدان های الکتریکی و مغناطیسی حاصل از پراکندگی نور لیزر در اطراف کانون عدسی شیئی استفاده شده و نشان داده می شود که این فرمول بندی نتایج نسبتاً درستی را برای میدان های پراکندگی بدست می آورد. سپس جهت حصول مقادیر میدان کل الکتریکی و مغناطیسی اطراف ذره، مقادیر میدان پراکندگی حاصل از محاسبه با مقادیر معلوم میدان فرودی جمع شده و با استفاده از مقادیر حاصل، تانسور تنش ماکسول در اطراف ذره، بدست می آید. پس از آن، نیروی تابشی وارد بر ذره، با استفاده از تانسور تنش ماکسول بدست می آید. نشان داده می شود فرمول بندی میدان پراکندگی خالص، برای مسائلی که نیاز به مقادیر میدان کل در فضا دارند (مانند انبرک نوری)، مفید نبوده و بهتر است از فرمول بندی میدان کل-میدان پراکندگی در این مسائل استفاده شود.