用于光動(dòng)力的微結(jié)構(gòu)光纖理論研究.pdf

1、微結(jié)構(gòu)光纖作為一種新型特種光纖，其擁有許多獨(dú)特特性，不光在光通訊領(lǐng)域延續(xù)著傳統(tǒng)光纖的道路，在光纖傳感領(lǐng)域也開始得到廣泛應(yīng)用。近來，光動(dòng)力研究逐漸興起，它主要探討物質(zhì)在復(fù)雜光環(huán)境下的力學(xué)動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而延伸至實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，例如生命科學(xué)、集成光學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域?；谘诱刮⒔Y(jié)構(gòu)光纖應(yīng)用范圍，發(fā)展新型光纖傳感器件的實(shí)際應(yīng)用需求，開展用于光動(dòng)力的微結(jié)構(gòu)光纖研究顯得尤為重要。
　　本文從光波導(dǎo)內(nèi)部或外部光場(chǎng)變換角度出發(fā)提出了三類微結(jié)構(gòu)光纖器件。這三

2、類光纖器件通過改變光纖外部形狀或內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)入射光進(jìn)行光強(qiáng)相位調(diào)制，從而生成特殊光場(chǎng)，而這些特殊光場(chǎng)主要用于信號(hào)傳輸或?qū)ξ⑿∥矬w進(jìn)行微操控。本文主要完成的工作有：
　　1.開展基于四芯光纖光鑷探針的微粒光動(dòng)力研究。（1）首次提出了具有橫向雙光鑷和軸向雙光鑷的兩種四芯光纖光鑷探針，對(duì)光纖制備、光源注入、纖芯光束路徑改變等內(nèi)容進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究。該光鑷探針是通過微加工技術(shù)使光纖端頭形狀發(fā)生改變，從而使纖芯光束出射路徑發(fā)生改變，并最終形

3、成兩個(gè)不同位置的光勢(shì)阱捕獲點(diǎn)。（2）通過光束傳輸法，角譜等理論仿真了不同光纖形狀的外部光束組合光場(chǎng)。（3）基于幾何光束追跡模型計(jì)算微粒在組合光場(chǎng)中的受力情況，并通過朗之萬運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算了微粒在液體介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)以及基于雙光鑷探針的橫向振蕩、軸向推拉特性，其中主要包括微粒周期驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)制、幅度調(diào)制變化特性。結(jié)果表明基于四芯光纖光鑷探針的微粒周期驅(qū)動(dòng)本質(zhì)是一個(gè)低頻運(yùn)動(dòng)過程，在保證可用幅度情況下，頻率不會(huì)高于100Hz。
　　2.開展特

4、種艾里光纖研究以及相關(guān)微粒力學(xué)特性研究。（1）基于耦合模理論探討了艾里光纖內(nèi)部高斯場(chǎng)與艾里場(chǎng)的周期轉(zhuǎn)換機(jī)制。（2）首次提出具有自定義對(duì)稱艾里函數(shù)分布的多芯對(duì)稱艾里光纖，并基于光束傳輸法計(jì)算了該光纖的出射場(chǎng)，探討了出射場(chǎng)對(duì)波長的響應(yīng)特性。結(jié)果表明其出射場(chǎng)的中央主瓣會(huì)分裂成多個(gè)離軸主瓣，整個(gè)光束仍具有自由加速特性以及自愈特性，而無衍射特性較弱。而波長調(diào)制會(huì)造成光束自由加速性變化從而造成主瓣落點(diǎn)不同。（3）首次提出了具有環(huán)形艾里函數(shù)分布的對(duì)稱

5、環(huán)形芯艾里光纖，并計(jì)算了出射場(chǎng)對(duì)波長的響應(yīng)特性，還仿真計(jì)算了微米尺度的粒子在對(duì)稱環(huán)形芯艾里光纖出射場(chǎng)下的力學(xué)特性。結(jié)果表明該艾里光纖具有對(duì)稱環(huán)形艾里場(chǎng)，可在長距離范圍內(nèi)保持無衍射傳輸，自由加速特性則會(huì)形成自聚焦點(diǎn)，可用于微加工或微粒捕獲。微粒在出射場(chǎng)作用下還可進(jìn)行輸運(yùn)。
　　3.開展了表面等離子激元光纖研究以及相關(guān)微粒力學(xué)特性研究。（1）首次提出了基于金納米管和金納米線的表面等離子激元光纖。（2）基于有限元法計(jì)算了基于金納米管和金

6、納米線的表面等離子激元光纖具有的模式數(shù)。結(jié)果表明在金納米結(jié)構(gòu)整體尺寸微小時(shí)，光纖一般只具有兩個(gè)纖芯傳輸模式，分別為短程模和長程模。但色散特性分析表明，當(dāng)管壁足夠小時(shí)金納米管結(jié)構(gòu)光纖模式數(shù)會(huì)增多。（3）重點(diǎn)對(duì)長程模的傳輸損耗特性和模場(chǎng)寬度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)光纖的長程模傳輸距離在極端情況可傳輸三十毫米，而模場(chǎng)寬度與傳輸距離并不呈簡(jiǎn)單的反比關(guān)系。壁厚d的大小對(duì)傳輸距離和模式寬度都具有調(diào)制作用。（4）仿真分析了納米微粒在表面等離子激元光

7、纖端面處的受力情況，結(jié)果表明納米粒子會(huì)受到較大捕獲力作用，會(huì)把納米微粒拉向金納米結(jié)構(gòu)，且最終彈射脫離。不同微粒所受力會(huì)有差異，在微流場(chǎng)配合下可以實(shí)現(xiàn)微粒分選等用途。
　　綜上所述，本論文展開的新型微結(jié)構(gòu)光纖（或光纖外形結(jié)構(gòu)）研究擴(kuò)展了微結(jié)構(gòu)光纖的應(yīng)用領(lǐng)域。由于微結(jié)構(gòu)光纖可集成度高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，使得其極具應(yīng)用潛力。而基于光纖的微粒光動(dòng)力研究，則是通過新型光纖出射場(chǎng)對(duì)外部微小微粒進(jìn)行操控或信息傳感，對(duì)生命科學(xué)，光纖傳感等實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)