[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究采用三维部分波展开方法，研究了零阶与一阶贝塞尔波束对硅油球体的轴外声辐射力。结果表明，捕获束力随球体偏离光束轴线的径向位移而减弱，横向力场根据大小参数 $ka$ 的不同，表现出稳定与不稳定平衡区域，这对声镊和捕获束装置的设计具有重要意义。

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.

研究动机与目标

• 研究当球体偏离光束轴线时，零阶与一阶贝塞尔波束对球体施加的轴向与横向辐射力。
• 确定大小参数 $ka$ 和波束半锥角 $\beta$ 如何影响压力束与捕获束行为之间的转变。
• 针对不同的 $ka$ 值，识别横向辐射力场中的稳定与不稳定平衡区域。
• 评估轴向捕获力随球体偏离光束轴线而衰减的规律。
• 为利用贝塞尔波束设计声镊和捕获束装置，支持生物医学与粒子操控应用。

提出的方法

• 采用通过部分波展开中的波束形状系数与散射系数表示的三维辐射力公式。
• 利用离散球谐变换（DSHT）算法计算贝塞尔波束的波束形状系数。
• 应用声学边界条件，确定硅油球体的散射系数。
• 数值计算轴向与横向辐射力分量，涵盖轴上与轴外配置。
• 通过分析不同 $ka$ 值与波束偏移量 ($kx_0, ky_0$) 下的力场，绘制平衡区域图。
• 将横向力场叠加在波束强度上进行可视化，以评估捕获稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当球体偏离光束轴线时，贝塞尔波束的轴向辐射力如何变化？
• RQ2 横向辐射力场对球体大小参数 $ka$ 的依赖关系如何？
• RQ3 在何种条件下，横向力场在光束轴线附近表现出稳定或不稳定的平衡区域？
• RQ4 轴向捕获力的强度与方向如何随偏离光束轴线的径向距离变化？
• RQ5 一阶贝塞尔波束是否能在特定 $ka$ 值下对硅油球体产生稳定的横向捕获？

主要发现

• 当球体沿径向偏离光束轴线时，轴向捕获力显著减弱，当 $kx_0 = 1.6$ 时，力的强度下降一个数量级。
• 当 $ka = 0.1$ 时，一阶贝塞尔波束在光束中心区域形成稳定的平衡区域，横向力指向轴线方向。
• 当 $ka = 3$ 时，横向力场表现出指向外侧的力，且随径向位移顺时针旋转，表明不存在稳定的捕获区域。
• 当 $ka = 0.1$ 时，横向力场在波束强度的第一极小值与第二极大值之间的区域表现出指向内的力，暗示存在潜在捕获能力。
• 当 $ka = 2$ 时，零阶贝塞尔波束在光束中心产生不稳定平衡，力线呈发散状态。
• 当球体偏移 $kx_0 = 1.6$ 时，吸引性轴向力的区域向更高的 $ka$ 值移动，且尺寸缩小。