[论文解读] Consistency of time averaged optical force laws for embedded chiral and achiral objects

M. R. C. Mahdy, Tianhang Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2017

Quantum and Classical Electrodynamics参考文献 56被引用 4

一句话总结

该论文通过为应力张量引入两个一致性条件，解决了嵌入介质背景中的手性和非手性物体在时间平均光学力定律中的不一致性。研究表明，仅当背景为空气时，Minkowski 和 Chu/Einstein-Laub 表面力才与体积分量力一致；并提出了改进的公式，使手性和非手性 Mie 粒子在复杂介电环境中也能保持一致性。

ABSTRACT

Although it is commonly believed that all the volumetric optical force laws should lead to the same total optical force for chiral and achiral objects, this idea has been invalidated in some recent works by investigating several previous experiments involving material background. To identify the exact reason of such significant disagreement, we inspect two tractor beam and one lateral force experiments on using distinct stress tensors (STs). To solve the problems of total force, we propose two consistency conditions of time averaged forces. We demonstrate that exactly at the boundary of an object, the difference of the consistent external Minkowski ST and internal ST of Chu (and Einstein-Laub) is found in agreement with the surface force yielded by Chu (and Einstein-Laub) force only when the background is air rather than a material. We identify this as one of the main reasons (among few other identified reasons) of the disagreements observed for real experiments. Finally, based on the proposed consistency conditions, we demonstrate that: by modifying the Einstein-Laub or Chu formulation, time-averaged STs and volume forces are obtainable those can overcome the aforementioned inconsistencies of real experiments for both chiral and achiral Mie objects embedded in even complex material backgrounds.

研究动机与目标

• 识别真实实验中不同应力张量公式在光学力测量结果上存在差异的根本原因。
• 解决嵌入手性和非手性物体在周围介质为材料而非空气时的时间平均光学力不一致性问题。
• 建立一致性条件，确保由应力张量导出的体积分量力与表面力一致。
• 开发改进的 Einstein-Laub 和 Chu 公式，使其在复杂材料背景中仍能保持光学力的一致性。
• 通过牵引光束和侧向力实验，利用 Mie 粒子验证所提出的框架。

提出的方法

• 提出两个基于应力张量（STs）的时间平均光学力一致性条件，确保体积分量力与表面力计算结果一致。
• 分析三种实验设置：两个牵引光束实验和一个侧向力实验，分别采用不同的应力张量（Minkowski、Chu、Einstein-Laub）。
• 将通过应力张量体积分量计算的总光学力与同一张量在物体边界处获得的表面力进行比较。
• 特别关注物体边界处的力一致性，区分空气背景与材料背景的情况。
• 推导 Einstein-Laub 和 Chu 公式的改进版本，使其在复杂介电环境中仍保持一致性。
• 利用 Mie 散射理论建模手性和非手性粒子，并在不同背景介质中计算其受力。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在涉及嵌入物体的真实实验中，不同应力张量公式会产生不一致的光学力？
• RQ2 当周围介质为材料而非空气时，体积分量力与表面力之间存在差异的原因是什么？
• RQ3 在何种条件下，Minkowski、Chu 和 Einstein-Laub 应力张量能产生一致的光学力？
• RQ4 能否通过改进 Einstein-Laub 和 Chu 应力张量的公式，使其在复杂材料背景中恢复一致性？
• RQ5 手性如何影响嵌入粒子中光学力定律的一致性？

主要发现

• 只有当背景为空气时，外部 Minkowski 应力张量与内部 Chu/Einstein-Laub 应力张量之差才与表面力一致，而在材料背景中则不成立。
• 力计算不一致的主要原因在于：当背景为介电介质时，应力张量在边界处的行为不匹配。
• 在材料背景中，标准的 Einstein-Laub 和 Chu 公式与表面力计算相比，会导致总力不一致。
• 所提出的 consistency 条件成功地在复杂介电环境中统一了手性和非手性 Mie 粒子的体积分量力与表面力。
• 基于一致性条件推导出的改进 Einstein-Laub 和 Chu 公式，在非平凡材料背景中也能产生一致的时间平均光学力。
• 本研究表明，背景介质的选择对力的一致性具有决定性影响，而空气是唯一能自然实现一致性的特殊情况。