基于螺旋多芯光纤的光扳手理论与技术研究

"光扳手"属于一种特殊的光镊。自从1986年Ashkin在世界上首次把单束激光引入高数值孔径物镜形成三维光学势阱，实现了对粒子的非接触三维空间俘获后，从此打开了人们对显微世界进行操纵研究的方便之门。我们优化设计并制造螺旋多芯光纤；在螺旋多芯光纤的基础上，建立螺旋多芯光纤"光扳手"的制备方法与理论分析，深入分析研究螺旋多芯光纤纤芯结构分布，光纤"光扳手"探针的制备方法，光纤光场分布与形成的光阱力或光学转矩之间的关系，开拓基于螺旋多芯光纤"光扳手"的集成式光学微操作的光学控制方法，探索其在生物医学化工显微操作领域中的新应用。

本项目的研究要点包括：.（一）光纤低阶模式光束的激发与功率比率控制研究.基于光波导理论和光纤基本结构参数，明确了影响光纤低阶模式光束传输的基本条件，掌握了光纤低阶模式光束的激发方法，分析了影响多个光纤低阶模式光束功率分布的因素，探索了控制多个光束功率分布的具体方法，实现了多个光纤低阶模式光束功率分配的灵活控制。.（二）光纤低阶模式光束模斑特性与控制研究.光纤低阶模式光束相对基模光束而言具有较为复杂的剖面模式光场分布。光镊系统可以利用该较为复杂的出射光场实现其更为复杂的操作功能，例如粒子旋转等光扳手功能。由光波导理论和麦克斯韦方程组的求解、分析与计算，明确了光纤低阶模式光束的光场分布特性，掌握了光纤低阶模式光束模斑形成的机理，探索了影响光纤低阶模式光束模斑功率分布的物理因素，尝试了多种可行的光纤低阶模式光束模斑分布的调控方法，实现了对光纤低阶模式光束光斑功率分布的精确控制。.（三）光纤光板手光阱力和光致扭矩构建机理与方法研究.利用光学仿真软件建立了光纤光扳手仿真计算模型，由仿真输出的光场分布结果进一步计算了该光纤光扳手产生的光阱力与光致扭矩，明确了光纤出射光场与光阱力分布和光致扭矩特性的关系，尝试了不同形式光纤尖的仿真模拟，优化了光纤尖加工形状的参数，综合考虑了仿真计算结果，探索了光纤端形状与出射光场分布的关系，总结了光纤端形状影响出射光场分布的规律，完成了光纤端最终加工形状的确定。.（四）光纤光路综合设计与优化研究.优化设计了光纤光板手系统的器件选择和组合方式，探索了光纤光板手对粒子的操作细节与调整方式，通过验证其对粒子操作的有效性，最终搭建并发展了一套基于光纤低阶模式复用技术的单光纤光扳手操作系统。.在本项目的资助下，共完成学术论文54篇，其中被SCI检索20篇，EI检索26篇，申请并获得发明专利8项。