基于锥形光纤和微纳光纤的光镊及其光操控性能的研究

摘要

光镊是一种对微小颗粒进行捕获和操控的工具，操控过程中不接触微粒所以对微粒不造成伤害，不会污染样品，在各个研究领域发挥着较为重要的作用，例如对细胞生物学微粒的操控，对微小光力的测量，对微纳米器件加工等，尤其是在生命科学领域，科学家已经利用光镊捕获并操控过细胞、病毒、细菌和DNA分子。比起其他操控方法，光镊具有较高的分辨率，操控粒子尺寸小，灵敏度高，是操控方法里发展前景最大的一个。因此，对光镊的深入研究是未来科学发展中非常重要的一环。 光镊自被发现以来，经过近40年的发展，逐渐形成了系统的分类方法，包括基于传播场的远场光镊、基于倏逝场的近场光镊以及基于光热作用的光泳光镊，其中远场光镊和近场光镊由于不受微粒自身特性的影响而得到了最为广泛的应用，但是传统的光镊系统在发展过程中也遇到了设备庞大复杂，工作距离短，难以在狭窄位置进行操控的困难，基于此，科研人员提出了利用光纤制作光镊进行操控的方法。 光纤芯层和包层的折射率差使得光被限制在芯层中，传输损耗极低，但是在应用过程中，光纤传播场较为平缓，难以形成强烈的光学梯度导致捕获时通光功率要求较高，也因其对光的限制作用导致其周围并不存在倏逝场难以实现近场捕获。经过模拟分析，科研人员确认了当光纤具备锥形的输出端时，会对光有很强的会聚作用，从而形成较强的光梯度降低通光功率要求。并且，通过火焰拉锥技术，可以制作出损耗极低，倏逝场较强的微纳光纤，利用微纳光纤制作的器件具备近场捕获的条件。 但是，与传统光镊不同的是，光纤光镊是直接浸入捕获空间才能实现对微粒的稳定捕获，导致它对微粒的操控会直接接触到微粒，造成微粒的损坏或者污染。基于此，本文利用对锥形光纤产生气泡的研究，实现对气泡进行控制，经过模拟仿真，气泡会使得锥形光纤对光的会聚焦点向远处延伸，实现对聚苯乙烯微粒的隔离捕获。 而在近场操控时，本文用微纳光纤制作微环谐振器，利用微环谐振器的谐振作用实现对微粒的操控。利用微纳光纤弯曲激发的高阶模，理论上证明了对微粒进行光学捆绑的可能性。

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