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)對微納米量級的微粒進(jìn)行操作時，是一種非入侵式的操控（非接觸式），所以對生物活體細(xì)胞或是微顆粒本身不會產(chǎn)生接觸式的傷害。加之生物活體細(xì)胞對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具備多種功能。此技術(shù)旨在升級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捕獲能力的影響，以及不同波長對捕獲效果影響。通過聯(lián)合對光纖光鑷出射光場的計算與光阱力和光致扭矩的計算，獲得特殊形狀微粒受到單光纖光鑷對其產(chǎn)生的扭矩模型。
　　利用1310nm單模光纖拉制多模耦合器。對于模式復(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。本文首次提出了利用耦合器將兩個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。文中利用兩個可以獨(dú)立控制的光場，對一個或多個微粒進(jìn)行多種形式上的控制，包括偏轉(zhuǎn)及旋轉(zhuǎn)。文中僅對LP01模式與LP11模式進(jìn)行應(yīng)用，而在未來的研究中，兩個或多個相對獨(dú)立的光場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)，將多個波長的光波耦合到光纖探針中用于捕獲。通過實(shí)驗(yàn)對錐型單光纖光鑷使用不同波長時產(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波長時并不能有效的捕獲微粒。由于水溶液對各個波長光波的吸收率有所不同，而在波長1500nm附近具有一個較大的吸收峰。當(dāng)單光纖光鑷使用1480nm波長時，在光纖探針

6、前端形成一個明顯的溫度場。在對自然流場進(jìn)行詳細(xì)的分析后，建立仿真模型進(jìn)行仿真計算，獲得溫度梯度場及流速場。通過利用光制熱效應(yīng)以及熱對流效應(yīng)，使得1480nm波長的光波區(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)行一些物理量的測量，通過使用F-P干涉原理獲得被彈射微粒的運(yùn)動狀態(tài)信息，再通過被彈射微粒的運(yùn)動狀態(tài)信息獲得液體粘滯系數(shù)，最