[論文レビュー] Off-axial acoustic radiation force of pressor and tractor Bessel beams on a sphere

Glauber T. Silva, J. H. Lopes+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2012

Microfluidic and Bio-sensing Technologies参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、3次元部分波展開法を用いて、シリコーンオイルの球体に対するゼロ次および1次バイオスビームの軸外音響放射力について検討した。その結果、トラクションビーム力はビーム軸からの径方向のずれに伴い弱まり、横方向力場はサイズパラメータ $ka$ に応じて安定および不安定な平衡領域を示すことが明らかになった。これは音響トウザーやトラクションビームデバイスの設計に不可欠である。

ABSTRACT

Acoustic Bessel beams are known to produce an axial radiation force on a sphere centered on the beam axis (on-axial configuration) that exhibits both "pressor" and "tractor" behaviors. The pressor and the tractor forces are oriented along the beam's direction of propagation and opposite to it, respectively. The behavior of the acoustic radiation force generated by Bessel beams when the sphere lies outside the beam's axis (off-axial configuration) is unknown. Using the 3D radiation force formulas given in terms of the partial wave expansion coefficients for the incident and scattered waves, both axial and transverse components of the force exerted on a silicone-oil sphere are obtained for a zero- and a first-order Bessel vortex beam. As the sphere departs from the beam's axis, the tractor force becomes weaker. Moreover, the behavior of the transverse radiation force field may vary with the sphere's size factor $ka$ (where $k$ is the wavenumber and $a$ is the sphere radius). Both stable and unstable equilibrium regions around the beam's axis are found depending on $ka$ values. These results are particularly important for the design of acoustical tractor beam devices operating with Bessel beams.

研究の動機と目的

• 球体がビーム軸からずれた状態でのゼロ次および1次バイオスビームが球体に及ぼす軸方向および横方向の放射力の調査。
• サイズパラメータ $ka$ およびビーム半錐角 $\beta$ が圧力ビームとトラクションビームの挙動の間での遷移に与える影響の特定。
• 異なる $ka$ 値における横方向放射力場の安定および不安定な平衡領域の同定。
• 球体がビーム軸からずれるに従い、軸方向トラクション力の減衰の評価。
• バイオスビームを用いた医療的および粒子操作用途の音響トウザーおよびトラクションビームデバイスの設計支援。

提案手法

• 部分波展開におけるビーム形状係数および散乱係数を用いた3次元放射力式の利用。
• バイオスビームのビーム形状係数を計算するために、離散的球面調和変換（DSHT）アルゴリズムの採用。
• シリコーンオイル球体の散乱係数を決定するために音響境界条件の適用。
• 軸上および軸外の両配置における軸方向および横方向放射力成分の数値計算。
• サイズパラメータ $ka$ 値およびビームのオフセット（$kx_0, ky_0$）を変化させた力場の解析を通じて、平衡領域のマップ作成。
• ビーム強度上に重ねた横方向力場の可視化により、捕獲の安定性の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 球体がビーム軸からずれた場合、バイオスビームの軸方向放射力はどのように変化するか？
• RQ2 横方向放射力場は、球体のサイズパラメータ $ka$ にどのように依存するか？
• RQ3 ビーム軸付近の横方向力場が安定または不安定な平衡領域を示す条件は何か？
• RQ4 軸からの径方向オフセットに応じて、トラクションビーム力の強さと方向はどのように変化するか？
• RQ5 1次バイオスビームは、特定の $ka$ 値において、シリコーンオイル球体を安定した横方向捕獲可能か？

主な発見

• 球体がビーム軸から径方向にずれるに従い、軸方向トラクション力は著しく減少し、$kx_0 = 1.6$ で強度が1桁低下する。
• $ka = 0.1$ の場合、1次バイオスビームはビーム中央部に安定した平衡領域を形成し、横方向力は軸に向かって内向きを示す。
• $ka = 3$ の場合、横方向力場は径方向のずれに伴い時計回りに回転する外向きの力を示し、安定した捕獲領域がないことを示す。
• $ka = 0.1$ の場合、横方向力場はビーム強度の第1最小値と第2最大値の間で内向きの力を示し、捕獲の可能性を示唆する。
• $ka = 2$ の場合、ゼロ次バイオスビームはビーム中心に不安定な平衡点を形成し、力線は外向きに発散する。
• 球体が $kx_0 = 1.6$ でオフセットされた場合、引力的な軸方向力の領域は $ka$ の高い値にシフトし、サイズは縮小する。