Numerical computation of optical force interactions

Mgr. Vítězslav Karásek, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Optické síly jsou projevem přerozdělení hybnosti dopadajícího světla rozptýleného na mikročásticích. Přestože je velikost těchto sil jen v řádu pN, v mikrosvěte mohou tyto síly značně ovlivnit chování objektů. Nejčastěji používaná metoda, tzv. optická pinzeta, využívá jednoho silně fokusovaného laserového svazku pro manipulaci s mikročásticemi. Prudký rozvoj optických mikromanipulačních technik v posledních desetiletích přinesl řadu nových metod a aplikací ve fyzice či chemii, ale zvláště pak v biologii. Tyto moderní aplikace používají zejména prostorově strukturovaných světelných polí pro manipulaci s více částicemi. Největší optické síly můžeme očekávat od dopadajících světelných svazků. Nicméně v případě více částicových konfigurací světlo na nich rozptýlené způsobuje velmi komplikované silové interakce v rámci uvažovaného systému. Tyto slabé, avšak pozorovatelné interakce, které jsou zprostředkované světlem, se obecně označují jako optické vázání. Cílem této práce bylo teoretické a následně numerické studium optických sil, které jsou základem optických mikromanipulačních technik. Metoda vázaných dipólů, převážně používána v této práci, umožňuje numerické řešení rozptylu světla na nehomogenních objektech libovolných tvarů. V této práci je předloženo podrobné odvození této metody spojené s vysvětlením matematických detailů nezbytných pro její použití v oblasti světlem způsobených silových interakcí mezi více částicemi. Tato práce přináší první parametrickou studii optického samouspořádávání v podélné konfiguraci, ve které je analyzován vliv následujících parametrů: velikost a optické vlastnosti uvažovaných částic, vlastnosti a prostorové rozložení dopadajících světelných svazků. Nové jevy předpovězené teoreticky či numericky byly rovněž experimentálně prokázány. Z těchto důvodu se metoda vázaných dipólů ukazuje jako dobře zvolená pro popis chování systémů opticky vázaných částic a považujeme ji za vhodný nástroj pro další studium samouspořádávání částic.

Abstract:

Optical force comes from the redistribution of the momentum of the incident light by its scattering on microparticles. Even though such force reaches only pN strength it causes noticeable changes in the behaviour of the microobjects. The most frequently used method is called optical tweezers and it uses a single focused laser beam to manipulate with a microobject. Further progress in optical micromanipulation techniques over the recent decades offered many new techniques and applications in physics, chemistry and especially in biology. Modern applications use complex spatially modulated light fields that illuminate many particles. Usually the most dominant force is exerted by the incident beams, however in various many-particle configurations the light is scattered among the particles and it results in very complex force interactions within the system. These tiny but observable interactions mediated by light are called optical binding and they can lead to particle self-arrangement by light. The aim of this work was to study theoretically and consequently numerically the resulting optical forces which play the key role in the field of optical micromanipulations. The coupled dipole method (CDM) is preferably used in this work because offers numerical solution of the light-scattering problem for an arbitrary shaped or composed scatterer. The detailed theoretical derivation of the CDM is presented here and enriched by the explanation of mathematical details essential for implementation of the CDM in the study of light induced force interaction between several particles. This work presents the first parametrical study of optical self-arrangement in longitudinal configuration and the influence of the following parameters is analyzed: the particles size and optical properties, incident beams properties and their spatial configuration. New phenomena were predicted theoretically and later proved experimentally. This indicates that the CDM is an appropriate method for the description of more complex systems of optically bound particles and can be used as a tool for further study of particles self-arrangement.

Keywords

optické chytání, optické vázání, Rayleigho částice, metoda vázaných dipólů optical trapping, optical binding, Rayleigh particles, coupled dipole method

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 6. 2009

Thesis defence

• Date of defence: 3. 9. 2009
• Supervisor: prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D.
• Reader: doc. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D., prof. Ing. Jiří Čtyřoký, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Theoretical Physics and Astrophysics