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阱來實現(xiàn)對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，使用普通光纖實現(xiàn)對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模式光束實現(xiàn)了對微粒的非接觸式捕獲；通過調(diào)節(jié)LP01模式與LP11模式光束的光功率比實現(xiàn)捕獲微粒在光纖主軸方向的移動；利用LP01模式與LP11模式間的強度干涉調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對微粒的偏轉(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)實現(xiàn)了對微粒的旋轉(zhuǎn)操作。
　　本文就該單光纖光鑷功能的實現(xiàn)進行了理論和實驗研究，主要工作分為以下幾個方

3、面：
　　首先，設(shè)計了基于模式復(fù)用技術(shù)單光纖光鑷的整體功能，根據(jù)實際應(yīng)用中對光鑷的需求，確定光纖光鑷的操作維度，確定整體功能的實現(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實現(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及其功率

4、分布控制的新方案，為實現(xiàn)LP01模式的非接觸捕獲和控制微粒在光纖軸向上移動實驗提供了理論依據(jù)和實驗方法。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，通過在光纖軸向上施加應(yīng)力的方法，拉伸光纖軸向上的長度，改變兩個模式間的相位差，使得兩種模式干涉后光斑發(fā)生明暗變化，進而達(dá)到改變光斑出射光場分布來實現(xiàn)對微粒的偏轉(zhuǎn)操作，提出了利用模式復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)光斑旋轉(zhuǎn)的新方法；由于LP11模式光束兩個光斑在平面內(nèi)具有中心不對稱性，通過

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)，實現(xiàn)捕獲微粒的旋轉(zhuǎn)操作。
　　其次，設(shè)計了一種具有半球形透鏡端面的光纖尖，利用電磁場動量守恒定律與時域有限差分（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)定捕獲點距光纖尖10μm，可以實現(xiàn)對微粒的非接觸捕獲；由于LP11模式光束兩個光斑在平面內(nèi)關(guān)于光纖主軸中心不對稱，不能簡單的利用二維仿真計算得到 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現(xiàn)在光纖軸向上控制微粒移動；又將光纖出射光場光阱力的計算與光扭矩的計算相結(jié)合，計算微粒在LP11模式光場中偏轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)時的受力及扭矩情況，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，微?？梢栽诠鈭鲋邪l(fā)生偏轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)。
　　最后，搭建

7、了一套實用性的單光纖光鑷實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)中將980nm光纖與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖錯位焊接實現(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)，實現(xiàn)了微粒的旋轉(zhuǎn)操作。至此，我們利用單光纖光鑷實現(xiàn)了對捕獲微粒的非接觸捕獲和三維的旋轉(zhuǎn)操作，為模