光纤超大数值孔径空心光锥的生成及其光学势阱特性研究

This project intends to obtain a novel hollow light cone with ultra-high numerical aperture based on an annular core fiber. It can capture microscopic particles by means of non-contact three-dimensional trapping method, and consequently release a hollow light cone sucker. An output light field with super-high numerical aperture is achieved by processing the annular core fiber end into truncated cone with precision polishing technology. The hollow light cone with ultra-high numerical aperture can capture tiny particles with a smaller optical power, which can effectively reduce the thermal effect and light-induced damage to the captured particles, and then improve the capture efficiency. At mean time, axially symmetrical optical gradient force potential wells function is constructed based on the physical characteristics of the hollow cone field, which provides an effective analysis approach for the study of the dynamic behavior of the fine particles in the hollow light cone chuck. Owing to the advantages of flexible operation and easy to implement, the hollow light cone sucker base on annular core fiber has important academic value and application prospects for the development of fiber optical tweezers.

本项目旨在研究一种全新的基于单根环形波导光纤的超大数值孔径空心光锥的生成方法，能够对微观粒子进行非接触式的三维捕获，实现空心光锥吸盘的功能。通过把光纤端面加工成圆锥台结构，可实现在单根光纤中生成超大数值孔径的出射光场；采用精密研磨技术，解决了生成超大数值孔径出射光场的光纤端面制作的问题；环形波导光纤生成的超大数值孔径空心光场，能在较小的光功率下实现微小粒子的捕获，这就有效地减小了热效应的影响和对捕获粒子的光损伤，提高了捕获效率。同时，根据空心锥形光场及其物理特性，构建了轴向对称光学梯度力势阱函数，为研究微小粒子在空心光锥吸盘中的动力学行为提供了有效的分析方法。环形波导光纤构造的空心光锥吸盘由于操作灵活、易于实现，对光纤光镊的发展有重要的学术价值和应用前景。

光纤光镊是一种利用光纤出射的激光束形成三维梯度光场的辐射光压来俘获微小粒子的技术，因为其装置结构简单、抗干扰能力强、光阱操纵灵活、捕获范围大等优点，在生物学、材料科学等领域具有广泛的应用前景。课题组在国家自然科学基金的资助下，开展了基于单根环形波导光纤的超大数值孔径空心光锥的生成方法的研究，完成了对微观粒子进行非接触式的三维捕获，实现了基于单根光纤的空心光锥吸盘的研制，对光纤光镊技术的仪器化和实用化起到了很好的促进作用。项目在研究过程中取得的主要成果包括以下几个方面：.1..环形波导光纤的优化设计. 环形波导光纤是产生空心锥形光场的基础，项目组针对环形波导光纤出射光场的特点建立光学模型，系统研究了环形波导光纤的波导层几何参数、波导层折射率、包层折射率等物理参数对空心锥形光场光学特性的影响，并得出了优化参数；攻克了环形波导光纤的制作工艺，制作完成了光纤外径125μm、环形芯直径63μm、环形芯厚度4μm、光纤包层折射率1.4632以及环形芯折射率1.468的环形波导光纤。.2..环形波导光纤端面的优化设计. 生成超大数值孔径空心锥形光场必须要对光纤端面进行加工，实现在光纤端面对光束出射角度进行精确控制。项目组根据制作要求，研制完成了光纤端面微加工系统，深入研究了不同光纤端结构对光纤出射光场的影响，最终确定了研磨角度为20°的圆锥台结构为光纤端的优化结构。.3..粒子在超大数值孔径空心光锥吸盘中的动力学行为分析与研究. 光源的有效注入是实现空心光锥吸盘功能的必要条件，项目组创新性的提出了改进的标准单芯光纤与环形波导光纤间光波导耦合方法，为环形波导光纤在标准光纤系统中便捷使用提供了一种有效的途径；项目组还进一步完成了基于单根光纤的空心光锥吸盘实验系统的搭建，完成了空心光锥吸盘理论模型的建立，深入研究了微小粒子在超大数值孔径空心光锥中的力学特性，并以空心光锥吸盘为捕获工具，完成了在液体微球中激发回音壁模式和染料液滴激光器的研究。