近场光纤光镊新技术研究

为了发展功能完备的近场光镊，我们设计了基于多芯光纤技术的近场光纤光镊。将全内反射原理与多芯光纤相结合，在光纤端面形成倏逝场，实现对物体的捕获，能够将近场光镊及其操纵与显微观察系统有效分离，极大地增强了近场光镊的可操作性和主动捕获能力。利用多芯光纤构成近场光镊，相向传输的相干光叠加构成捕获区域，干涉效应使得光强增加的同时捕获空间进一步缩小，使新一代全光纤近场光镊的捕获性能大大提高。同时，近场光纤光镊加工方法简单，具有可重复性，因此对于近场光镊的应用具有良好的推动作用。.随着科学研究向微观领域的不断延伸,对纳米级物体的捕获和操作日益显现出重要性，特别是随着生物医学的发展，单分子水平上的捕获与操纵变得尤为重要。近场光纤光镊由于操作灵活、易于实现，其操控对象和操作精度达到了纳米量级，有望成为分子捕获及操纵、染色体分选、微小颗粒的捕获、排列和显微制造等领域有力工具之一。

本项目的研究要点包括：.（1）近场光纤光镊结构设计与特性研究.为使近场光镊能够实用，设计需要考虑多芯光纤的芯径、间距、光纤端形状等一系列因素的影响。依据不同的的具体要求，对上述因素进行了优化设计，选取最佳方案。开展了理论研究，建立了近场光镊理论模型，通过系统分析构成近场光镊的诸要素，总结出多芯光纤构成近场光镊的条件。分析了多芯光纤出射光场的光学特性，建立了光学模型，系统研究了多芯光纤的芯径、光纤端形状、光纤芯间距等物理量对光场特性的影响。利用时域有限差分（FDTD）方法对近场光纤光镊的出射光场的力学特性开展了仿真研究。.（2）近场光纤光镊光场控制机理与方法研究.利用多芯光纤构成近场光镊，从各个纤芯出射的光叠加构成明暗相间条状（双芯光纤）或点状（三芯及三芯以上光纤）的相干倏逝场驻波，每一个干涉加强点即构成一个独立的光势阱。改变各个纤芯内传输光的强度和相位，相干倏逝场驻波的空间分布和捕获的方向性随之发生变化，从而带动被捕获粒子进行物理移动或转动，使新一代全光纤近场光镊的捕获性能大大提高。采用耦合模理论和光束传播法开展了理论研究，建立了理论模型，开展了多芯光纤传输光强度和相位调节方法研究。研究了不同光强度和倏逝场驻波分布对捕获效果的影响。开展实验研究，得到实验结果，开展实验与理论对比研究，完善捕获理论模型。.（3）多芯光纤近场光镊制作方法与优化设计.光纤端面是多芯光纤近场光镊得以实现的核心部件，其结构需要根据不同的多芯光纤结构加以制作，将通过研磨、腐蚀或深紫外激光微加工等手段将多芯光纤加工成锥台形状，然后在锥面上光学镀膜的方法将纤芯中的光功率以合适角度会聚于光纤端面形成全内反射从而构成近场光镊。利用多种加工方法对多芯光纤进行微加工，总结经验，探索了适合多芯光纤光镊制作的新方法。分析了多芯光纤微加工尺寸误差对捕获效果的影响，总结规律，得出最优参数。.在本项目的资助下，共完成学术论文25篇，其中被SCI检索9篇，EI检索24篇，ISTP检索9篇，申请发明专利2项。