復(fù)用型單光纖光鑷技術(shù)及應(yīng)用研究.pdf

1、光鑷是一種基于光捕獲效應(yīng)的微觀微粒操作工具，這一理念是在1986年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家 Ashkin等人提出。由于在使用光鑷技術(shù)對(duì)微納米量級(jí)的微粒進(jìn)行操作時(shí)，是一種非入侵式的操控（非接觸式），所以對(duì)生物活體細(xì)胞或是微顆粒本身不會(huì)產(chǎn)生接觸式的傷害。加之生物活體細(xì)胞對(duì)紅外光波具有很好的透射性質(zhì)，這使得光鑷技術(shù)在生物及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有著不俗的表現(xiàn)。光鑷技術(shù)的作用不僅僅只在操作和控制方面，在其工作過程中不但可以對(duì)被捕獲的微粒的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，更可

2、以利用其本身特性構(gòu)造成各種傳感器。隨著光鑷技術(shù)的不斷革新與發(fā)展，光鑷技術(shù)將不僅僅局限于操作功能上，而是應(yīng)用于更加寬廣的領(lǐng)域之中。
　　本論文在結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的錐形單光纖光鑷基礎(chǔ)上，利用模式復(fù)用以及波分復(fù)用技術(shù)令一根普通的單光纖光鑷同時(shí)具備多種功能。此技術(shù)旨在升級(jí)原有的單光纖光鑷技術(shù)，在其原有的系統(tǒng)上增添一些設(shè)備便可以輕易的實(shí)現(xiàn)。在沒有增加過多成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了單光纖光鑷的多功能化，使其在未來的應(yīng)用與推廣中獲得更多的重視。而且文中所述的基

3、于模式復(fù)用以及波分復(fù)用的光捕獲技術(shù)還可以廣泛的應(yīng)用于其他領(lǐng)域。
　　本文將研究錐形單光纖光鑷所具有的捕獲能力，利用FDTD的方法對(duì)其光阱力及其捕獲能力進(jìn)行了較為詳盡的分析，其中包括被捕獲微粒的折射率與尺寸對(duì)捕獲能力的影響，以及不同波長(zhǎng)對(duì)捕獲效果影響。通過聯(lián)合對(duì)光纖光鑷出射光場(chǎng)的計(jì)算與光阱力和光致扭矩的計(jì)算，獲得特殊形狀微粒受到單光纖光鑷對(duì)其產(chǎn)生的扭矩模型。
　　利用1310nm單模光纖拉制多模耦合器。對(duì)于模式復(fù)用技術(shù)所使用的

4、LP11模式進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，其中包括如何激發(fā)LP11模式；如何選擇LP01模式與LP11模式在光纖中的功率比；以及如何控制LP11模式的出射光場(chǎng)。本文首次提出了利用耦合器將兩個(gè)來自不同光源的不同模式耦合入一根單光纖光鑷中進(jìn)行聯(lián)合使用。文中利用兩個(gè)可以獨(dú)立控制的光場(chǎng)，對(duì)一個(gè)或多個(gè)微粒進(jìn)行多種形式上的控制，包括偏轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)。文中僅對(duì)LP01模式與LP11模式進(jìn)行應(yīng)用，而在未來的研究中，兩個(gè)或多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的光場(chǎng)可以由任意模式或分光比構(gòu)成，這類

5、似于在一根單光纖光鑷同時(shí)集成了多根可以分別控制的光纖光鑷，這使得其可以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜、更為精細(xì)的操作。
　　建立波分復(fù)用系統(tǒng)，將多個(gè)波長(zhǎng)的光波耦合到光纖探針中用于捕獲。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)錐型單光纖光鑷使用不同波長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生的光捕獲力進(jìn)行標(biāo)定，在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)單光纖光鑷在使用1480nm波長(zhǎng)時(shí)并不能有效的捕獲微粒。由于水溶液對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)光波的吸收率有所不同，而在波長(zhǎng)1500nm附近具有一個(gè)較大的吸收峰。當(dāng)單光纖光鑷使用1480nm波長(zhǎng)時(shí)，在光纖探針

6、前端形成一個(gè)明顯的溫度場(chǎng)。在對(duì)自然流場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)的分析后，建立仿真模型進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得溫度梯度場(chǎng)及流速場(chǎng)。通過利用光制熱效應(yīng)以及熱對(duì)流效應(yīng)，使得1480nm波長(zhǎng)的光波區(qū)分于其他光波，具有獨(dú)特的作用，如彈射、清掃、聚集等功能。
　　本文利用模式復(fù)用系統(tǒng)以及波分復(fù)用系統(tǒng)建立了兩種微粒彈射系統(tǒng)。利用這種彈射系統(tǒng)可以進(jìn)行一些物理量的測(cè)量，通過使用F-P干涉原理獲得被彈射微粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，再通過被彈射微粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息獲得液體粘滯系數(shù)，最