COMSOL 6.1光镊捕获小球与光力求解

comsol6.1光镊捕获小球光力求解打开COMSOL 6.1新建模型在模型向导选择波动光学-电磁波频域。这年头用频域研究光镊已经是标准操作了毕竟咱们要抓的是稳定状态下的光学力。模型维度选三维是必须的——光镊的梯度力分布可不是二维平面能模拟明白的。在几何部分画个直径1微米的二氧化硅小球悬浮在水环境中。这里有个坑要注意边界框至少要留出三倍粒径的空间否则边界反射会严重干扰计算结果。材料库直接调用内置的SiO2和水介质偷懒的话用默认折射率参数就行。物理场设置里打开电磁波频域接口重点配置入射高斯光束。在场设置里手动输入这个表达式E0 * exp(-(x^2y^2)/w0^2) * exp(-i*k*z)这里的w0是束腰半径建议设为2λ左右。边界条件要设置完美匹配层PML别手贱选成散射边界——PML才能正确吸收杂散波。网格划分是重头戏。在小球表面用边界层网格设置3层边界层厚度控制在λ/10。全局用自由四面体网格最大单元尺寸压到λ/4。记得在电场强度变化剧烈的区域比如焦点附近手动加密网格代码里可以这么操作model.mesh(mesh1).autoMeshSize(4); model.mesh(mesh1).feature(size).setCustom(true); model.mesh(mesh1).feature(size).set(hmax, lambda0/4);求解器配置要开频域稳态求解频点设置对应激光波长。建议勾选生成默认研究让软件自动配置求解步骤。计算完别急着看电场分布先检查下S参数——如果反射系数超过5%八成是边界条件没设对。真正的重头戏在光学力计算。后处理里添加麦克斯韦应力张量积分公式长这样comsol6.1光镊捕获小球光力求解$$\mathbf{F} \oint \left[ \varepsilon \mathbf{E}(\mathbf{E} \cdot \mathbf{n}) \mu \mathbf{H}(\mathbf{H} \cdot \mathbf{n}) - \frac{1}{2}(\varepsilon E^2 \mu H^2)\mathbf{n} \right] dS$$COMSOL已经内置了这个计算模块直接在派生值里选表面积分对象选小球表面。想看轴向梯度力就取z方向分量想看横向约束力就取xy分量。常见翻车现场算出来的力忽大忽小检查下是不是没开移动网格。光镊仿真必须开启几何非线性因为粒子位移会改变场分布。在研究-求解器配置里把几何非线性开关打开别等算完了才发现力场和位移没耦合。最后分享个骚操作在参数扫描里设置粒子位置变量批量计算不同位置的光学力直接画出光阱的势能曲线。代码模板大概长这样for (pos -500e-9; pos 500e-9; pos 100e-9){ model.param.set(z_offset, pos[m]); model.study(std1).run(); ftz model.result().numerical().getRealResult(); }这么搞能直观看到捕获稳定性——要是某个方向的恢复力不呈线性那这个位置肯定关不住粒子。算完记得喝杯咖啡这破仿真没个十几核服务器得跑一宿。