可用几何光学描述的情况如图1所示。高斯光束的传播方向沿z轴正向,在垂直与z轴的向量方向上,满足高斯函数。图1展示了一个折射率比水大的微球(n水=1.33),并陈列了典型光线a和b,其中光线a的强度更大。光线a照射到微球表面同时发生折射与反射,折射光线用黑实线箭头表示,反射光线则用虚线箭头表示。光子携带的动量方向与其传播方向一致,根据经典力学,由于折射光与入射光存在动量角度差,产生的偏向力用FiD表示,入射光与反射光共同作用产生的散射力用FiR表示。同理,出射光同样会产生偏向力F0D和散射力F0R。对应的,光线b产生的力与a类似。角标规则:右上角的角标i和o分别表示入射(input)和出射(output);右下角的D和R分表表示偏向力(deflection pressure)和散射力(radiation pressure)。图1微球收到包含+z和-r方向的合力,运动方向与合力方向一致。分析可知,只有处于光轴的微球不受水平方向的力,其他位置的微球都受到指向光轴的梯度力,最终会移动到光轴中央。我们可以用二维势阱图2来描述这种力场,梯度力只要足以驱使势阱边缘的微球运动,该球最终必然会被势阱捕获。
图2. 二维势阱示意图