基于渐变多模光纤的单光纤光镊技术研究

论文摘要

光镊技术由于具有对被操作微粒非入侵性等特性,从而逐渐被应用于生物和医学研究领域,如细胞,病毒和细菌操作。传统的光镊通常需要使用高数值孔径的显微镜头来聚焦激光光束从而实现微粒捕获。由于其体积庞大且缺乏灵活性,在实际操作微粒时存在局限性。而基于光纤的光学捕获方法的实现使光镊成为了便利、小型化且具有广泛应用的工具。光纤光镊分类包括多光纤光镊、单光纤光镊。相较于需要准直操作的多光纤光镊系统,单光纤光镊操作简单,利于实际制备以及使用。而单光纤光镊又分为单光纤单光镊和单光纤多功能光镊,其中基于单模光纤的单光纤单光镊虽利于制备,造价低廉,但是由于模场直径较小决定了其除非结合特殊效应(如热效应),否则无法实现除捕获外的其他特殊功能;而基于特种光纤的单光纤多功能光镊由于其结构特殊,通过加工光纤端面可以实现除捕获外的其他功能如微粒旋转等,缺点是由于特种光纤造价高昂限制了其产量,导致其应用范围狭窄。而本文的研究工作将光镊与渐变多模光纤相结合,旨在利用其特殊折射率分布以及出射光场具有较大等效模场直径的特点来制备多功能光纤光镊(光学捕获、捕获位置可控调整),为实际研究中光纤光镊的应用提供了便利的手段。本文主要工作如下:提出一种基于渐变多模光纤的新型单光纤光镊,其可使用自由长度(>30cm)的渐变多模光纤。这种渐变多模光纤光镊可实现酵母细胞的三维稳定捕获。与具有相同锥角的单模光纤光镊相比,这种渐变多模光纤光镊具有较大的光学捕获力。由于这种渐变多模光纤可使用自由长度,所以其制备过程简单且便于重复;而由于其捕获力较大,所以具有较高的捕获效率。但是上述光镊不能实现非接触式捕获,通过改进光纤光镊探针结构,提出一种基于渐变多模光纤的双功能光纤光镊,其可以实现非接触式捕获,并对被捕获微粒进行多样化操作。通过使用多角度研磨的方法,制备了可以对酵母细胞进行稳定的三维非接触光学捕获的光纤探针。光纤尖端的特殊锥形形状确保了其可进行长距离捕获和非侵入性光学操作,即第一个功能。而通过调节光源尾纤和渐变多模光纤探针尾纤之间的径向偏移,可以实现第二个功能,驱动被捕获的微粒相对于光纤尖端的轴向方向进行可控移动。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 光镊技术背景及意义
•   1.2 光纤光镊的发展
•     1.2.1 多光纤光镊
•     1.2.2 单光纤光镊
•     1.2.3 多功能光纤光镊
•   1.3 基于渐变多模光纤的单光纤光镊
•   1.4 本文主要研究工作
• 第2章 光纤模式理论与光镊原理
•   2.1 光镊捕获微粒受力分析
•   2.2 光阱力计算方法
•     2.2.1 基于电磁波动量守恒原理的光阱力计算方法
•     2.2.2 FDTD法的基本原理
•   2.3 渐变多模光纤模式传播理论
•   2.4 本章小结
• 第3章 基于自由长度渐变多模光纤的单光纤光镊
•   3.1 渐变多模光纤探头及其制作
•     3.1.1 渐变多模光纤介绍
•     3.1.2 渐变多模光纤探头制作
•   3.2 渐变多模光纤端面输出光场形式
•   3.3 基于渐变多模光纤的单光纤光镊的光阱力仿真
•     3.3.1 渐变多模光纤探针出射光场仿真
•     3.3.2 横向和纵向光阱力的仿真及数值计算
•   3.4 基于渐变多模光纤的单光纤光镊实验
•   3.5 本章小结
• 第4章 基于渐变多模光纤的双功能光纤光镊
•   4.1 渐变多模光纤探针及其制作
•     4.1.1 渐变多模光纤偏移量的影响研究
•     4.1.2 渐变多模光纤光镊锥尖形状
•     4.1.3 渐变多模光纤光镊探针制作
•   4.2 基于渐变多模光纤的双功能光纤光镊的光阱力仿真
•     4.2.1 不同角度的光纤尖产生的光阱力
•     4.2.2 双功能光纤光镊的光阱力仿真及数值计算
•   4.3 双功能渐变多模光纤光镊捕获微粒并实现轴向位置调节
•   4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王通

导师: 刘志海

关键词: 光镊,渐变多模光纤,光纤光镊,光学捕获

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 哈尔滨工程大学

分类号: TN253

总页数: 64

文件大小: 6229K

下载量: 144