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On-Axis Optical Trapping with Vortex Beams: The Role of the Multipolar Decomposition

物理 光学镊子 旋涡 俘获 梁(结构) 光束 涡流 电磁场 光学力 光学 粒子(生态学) 计算物理学 机械 量子力学 生态学 生物 海洋学 地质学
作者
Iker Gómez‐Viloria,Álvaro Nodar,Martín Molezuelas‐Ferreras,Jorge Olmos‐Trigo,Ángel Cifuentes,Miriam Martínez,Miguel Varga,Gabriel Molina‐Terriza
出处
期刊:ACS Photonics [American Chemical Society]
卷期号:11 (2): 626-633 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acsphotonics.3c01499
摘要

Optical trapping is a well-established, decades old technology with applications in several fields of research. The most common scenario deals with particles that tend to be centered on the brightest part of the optical trap. Consequently, the optical forces keep the particle away from the dark zones of the beam. However, this is not the case when a focused doughnut-shaped beam generates on-axis trapping. In this system, the particle is centered on the intensity minima of the laser beam and the bright annular part lies on the periphery of the particle. Researchers have shown great interest in this phenomenon due to its advantage of reducing light interaction with trapped particles and the intriguing increase in the trapping strength. This work presents experimental and theoretical results that extend the analysis of on-axis trapping with light vortex beams. Specifically, in our experiments, we trap micron-sized spherical silica (SiO2) particles in water and we measure, through the power spectrum density method, the trap stiffness constant κ generated by vortex beams with different topological charge orders. The optical forces are calculated from the exact solutions of the electromagnetic fields provided by the generalized Lorentz–Mie theory. We show a remarkable agreement between the theoretical prediction and the experimental measurements of κ. Moreover, our numerical model gives us information about the electromagnetic fields inside the particle, offering valuable insights into the influence of the electromagnetic fields present in the vortex beam trapping scenario.
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