基于光纤技术的牵引光束构建方法及其特性研究

This project will carry out the research on the construction method and the characteristics of the tractor beam based on the optical fiber technology. We will produce a high order quasi Bessel beam in the fiber by using the optical fiber technology, and then we will combine and reconstruct the light field at the end of the fiber by using a special designed fiber. The combined new beam has the characteristics of non-gradient and non-diffraction in the propagation direction. The beam can realize the tractor functionary without the gradient force generation. Due to its non-diffracting characteristics, the new tractor beam can realize the micro particles sorting and the long distance transport, and it is expected to play an important role and has a good application; in the biology, chemistry and medical researching fields, such as cell sorting, material purification, drug screening and others. The objective of this project is to develop a new tractor beam based on the optical fiber technology, to obtain the generation method of the tractor beam and to build a physical model for the propagation characteristics, to explore the physical nature of the interaction between the tractor beam and the object, to develop a new method of the tractor beam in the micro particle manipulating and transporting, and to lay a key theories and applications foundation for the tractor beam.

本项目拟对基于光纤技术的牵引光束构建方法及其特性开展研究。利用光纤技术在光纤中产生高阶准贝塞尔光束，然后经过一个特殊设计的光纤端面对光场进行组合重构，组合后的光束在光束传播方向上具有无衍射、无梯度的特性，在没有梯度力作用的情况下，仍然能对处于光束中的微小粒子实现光学牵引。新型牵引光束由于具有无衍射的特性，因而能够对处于其中的微粒实现分选和长距离的输运等操作，有望在细胞分选、材料提纯、药剂筛查等方面发挥重要的作用，在生物、化学和医疗领域具有很好的应用前景。本项目的目标是发展基于光纤技术的新型牵引光束，获得牵引光束的产生方法和传播特性的物理模型，探索牵引光束与物体相互作用的物理本质，发展基于牵引光束的微小物体操纵和输运的新方法，为牵引光束的广泛应用奠定关键性理论和应用基础。

项目按照年度计划顺利开展并取得了预期的研究成果：建立了牵引光束的物理模型，通过系统分析构成牵引光束的诸要素，总结出利用光纤构建牵引光束的条件。完成了牵引光束的优化设计，尝试了利用多种光纤产生无衍射光束组合构建多种形式的牵引光束。研究了不同光纤类型、耦合条件、折射率分布、环境参数等一系列因素对牵引光束特性的影响。探索了牵引光束光力学函数的构建方法，研究了光场对微小粒子的牵引行为模型，进而得到了牵引光束的光动力学特性。构建了牵引光束光动力学函数，为研究微小粒子在牵引光束的动力学行为提供了有效的分析方法。进行了光纤制作方法研究，根据牵引光束的特性，制作了参数符合要求的多种光纤探针，分析了不同光纤探针的物理特性，设计了光纤端面的加工工艺，利用多种加工方法对光纤进行微加工，得到了实用化加工方案；进行了牵引光束光学特性的实验研究，分析了各项参数对牵引光束性能的影响，得出了最优化实现方案。开展了牵引光束对微小粒子的输运实验研究，系统测试了牵引光束的输运特性，得到了光场中粒子动力学行为的关键性数据。.项目取得的成果包括完成了基于微结构七芯光纤和贝塞尔光束的牵引光束的构建方案；获得了基于光纤的牵引光束的自主知识产权；开展了基于光纤的牵引光束的应用研究，实现了多种微小物体的捕获和牵引操作；在该项目的资助下，申请人以第一或通讯作者发表了SCI收录论文29篇，国际会议论文3篇，申请发明专利36项，其中获得发明专利授权10项。