光镊仿真中的三把刷子：COMSOL实战笔记

COMSOL光学仿真模型:光镊/光力模型（包含三个模型，近似算法，张量算法）

实验室里搞光镊的朋友们应该都懂，光力计算这事儿说简单能近似手撕，说复杂得用张量积分硬刚。COMSOL在这块儿提供了三种打开方式，咱们今天就来盘一盘这些模型怎么玩，顺便塞点代码干货。

1. 近似算法：手算党的福音

先从最接地气的近似模型说起。假设你手里有个直径1μm的聚苯乙烯微粒泡在纯水里，想算梯度力？直接上高斯光束参数套公式：

matlab 复制代码

% 光束参数
lambda = 1064e-9;  % 波长
P = 0.1;           % 激光功率
w0 = 3e-6;         % 束腰半径
n_medium = 1.33;   % 介质折射率

% 梯度力计算
F_gradient = (n_medium * P) / (c * pi * w0^2) * ...  % 核心公式
            (real((n_particle^2 - n_medium^2)/(n_particle^2 + 2*n_medium^2)));

这法子胜在秒出结果，但只适用于小颗粒和弱散射情况。注意看分母里的nparticle^2 + 2n*medium^2，这其实就是克拉珀龙条件的变形，当颗粒折射率接近介质时误差会爆炸。

2. 张量算法：暴力美学

要较真就得搬出麦克斯韦应力张量了。在COMSOL里搞这个需要骚操作：

先建个包围粒子的圆柱体空气域（别直接用球形，网格会哭）
在"定义"里插个积分算子：

java 复制代码

// 表面积分操作
intop = comp1.create("intop", "Integration");
intop.set("frame", "spatial");
intop.selection().set(2); // 选包围粒子的边界

物理场设置里勾选【计算电磁场应力】，然后上硬核公式：

matlab 复制代码

% 应力张量分量
T_xx = epsilon0*(Ex^2 - 0.5*(Ex^2 + Ey^2 + Ez^2)) + ...
       1/mu0*(Bx^2 - 0.5*(Bx^2 + By^2 + Bz^2));

这里有个坑要注意：COMSOL默认用复数场，得手动把实部虚部分开做乘积，否则算出来的力能飘到姥姥家。建议在派生变量里预处理好real(Ex)*real(Ex)这种项。

3. 全波仿真：土豪的玩法

当近似和张量都不够用（比如遇到非球颗粒或近场效应），直接开【波动光学】模块硬刚。重点在边界条件：

java 复制代码

// 完美匹配层设置
pml = model.physics.create("pml", "WaveOptics", 3);
pml.selection().set(domains);
pml.set("Type", "Spherical");  // 球坐标PML更省资源
pml.set("Radius", 5e-6);       // 包裹住整个作用区

这种模型跑起来显卡呼呼响，但能捕捉到像光涡旋这种骚操作产生的横向力。记得用扫频代替全频段计算，把波长范围缩到实际激光线宽附近，能省一半时间。

选型指南

急着要数据：近似算法+参数扫描
发二区论文：张量积分+实验验证
冲Nature子刊：全波仿真+多物理场耦合

最后说个冷知识：COMSOL的电磁力计算默认基于材料不连续，如果粒子表面有过渡层（比如生物样本），记得手动改连续性设置，否则力值会少个量级。这坑我当年踩了三个月，现在想起来膝盖还疼...