基于模式復(fù)用技術(shù)的單光纖光鑷研究.pdf

1、光鑷又稱單光束梯度力光阱，是用一束高度匯聚的激光形成的三維勢(shì)阱來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微小物體非接觸式的捕獲和操縱，目前已經(jīng)在生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)等多個(gè)微觀領(lǐng)域中發(fā)揮了重要作用。隨著光纖技術(shù)的快速發(fā)展，光纖器件的引入使得光鑷系統(tǒng)捕獲的自由度與操控的靈活性得到了大幅度的提升，光纖光鑷已經(jīng)成為了又一探尋微觀世界的有力工具。
　　本文研究了一種基于模式復(fù)用技術(shù)的新型單光纖光鑷，使用普通光纖實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的多種捕獲操作，從而達(dá)到降低單光纖光鑷的制作難度和增強(qiáng)單光

2、纖光鑷的操作功能的目的。此種單光纖光鑷由一根特殊加工后的標(biāo)準(zhǔn)通信光纖構(gòu)成，利用光纖中傳輸?shù)腖P01模式光束實(shí)現(xiàn)了對(duì)微粒的非接觸式捕獲；通過(guò)調(diào)節(jié)LP01模式與LP11模式光束的光功率比實(shí)現(xiàn)捕獲微粒在光纖主軸方向的移動(dòng)；利用LP01模式與LP11模式間的強(qiáng)度干涉調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的偏轉(zhuǎn)操作；利用光纖中傳輸?shù)腖P11模式光束的剖面光斑調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了對(duì)微粒的旋轉(zhuǎn)操作。
　　本文就該單光纖光鑷功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，主要工作分為以下幾個(gè)方

3、面：
　　首先，設(shè)計(jì)了基于模式復(fù)用技術(shù)單光纖光鑷的整體功能，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)光鑷的需求，確定光纖光鑷的操作維度，確定整體功能的實(shí)現(xiàn)方法，確立光纖光鑷模式復(fù)用方法的基本思路。又從光纖的模式理論出發(fā)了解LP01模式與LP11模式光束的特性，研究了在標(biāo)準(zhǔn)單模光纖中激發(fā)高階模式光束的基本原理，再利用LP01與LP11模式光束的彎曲損耗不同這一特性，控制光纖的彎曲程度來(lái)實(shí)現(xiàn)在光纖中調(diào)節(jié)兩種模式間的光功率比，建立了光纖低階模式光束激勵(lì)及其功率

4、分布控制的新方案，為實(shí)現(xiàn)LP01模式的非接觸捕獲和控制微粒在光纖軸向上移動(dòng)實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)方法。依據(jù)光纖模式間的干涉理論，研究了LP01與LP11模式光束干涉特性，通過(guò)在光纖軸向上施加應(yīng)力的方法，拉伸光纖軸向上的長(zhǎng)度，改變兩個(gè)模式間的相位差，使得兩種模式干涉后光斑發(fā)生明暗變化，進(jìn)而達(dá)到改變光斑出射光場(chǎng)分布來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的偏轉(zhuǎn)操作，提出了利用模式復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)光斑旋轉(zhuǎn)的新方法；由于LP11模式光束兩個(gè)光斑在平面內(nèi)具有中心不對(duì)稱性，通過(guò)

5、扭轉(zhuǎn)光纖引入的彈光效應(yīng)，改變光纖切線方向上的應(yīng)力分布引起光斑的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)捕獲微粒的旋轉(zhuǎn)操作。
　　其次，設(shè)計(jì)了一種具有半球形透鏡端面的光纖尖，利用電磁場(chǎng)動(dòng)量守恒定律與時(shí)域有限差分（FDTD）相結(jié)合的方法分析了LP01與LP11作用于此光纖尖產(chǎn)生的光阱力特性。LP01模式光束的穩(wěn)定捕獲點(diǎn)距光纖尖10μm，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的非接觸捕獲；由于LP11模式光束兩個(gè)光斑在平面內(nèi)關(guān)于光纖主軸中心不對(duì)稱，不能簡(jiǎn)單的利用二維仿真計(jì)算得到 LP11模

6、式光束的空間光阱力，這里采用了二維切片的方式分割計(jì)算后再疊加得到了LP11模式光束的空間光阱力，LP11模式光束將微粒捕獲在光纖尖，通過(guò)調(diào)節(jié)兩種模式光功率比改變微粒所受縱向光阱力的大小即可實(shí)現(xiàn)在光纖軸向上控制微粒移動(dòng)；又將光纖出射光場(chǎng)光阱力的計(jì)算與光扭矩的計(jì)算相結(jié)合，計(jì)算微粒在LP11模式光場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)時(shí)的受力及扭矩情況，從仿真結(jié)果中分析得到當(dāng)LP11模式光斑的分布情況發(fā)生變化時(shí)，微粒可以在光場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)。
　　最后，搭建

7、了一套實(shí)用性的單光纖光鑷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)中將980nm光纖與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖錯(cuò)位焊接實(shí)現(xiàn)了LP11模式的激發(fā)；利用光纖微彎板調(diào)節(jié)LP01與LP11模式光束光功率比，實(shí)現(xiàn)了LP01模式的非接觸捕獲和微粒在光纖軸向位置的調(diào)節(jié)；又利用光纖軸向拉伸裝置控制LP01與LP11模式光束干涉，實(shí)現(xiàn)了微粒的偏轉(zhuǎn)操作；最后利用光纖旋轉(zhuǎn)裝置控制LP11模式光斑的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了微粒的旋轉(zhuǎn)操作。至此，我們利用單光纖光鑷實(shí)現(xiàn)了對(duì)捕獲微粒的非接觸捕獲和三維的旋轉(zhuǎn)操作，為模