单光纤涡旋场光镊对微粒操控的研究

论文摘要

光镊是利用光子与微粒间动量转换,以实现对微粒运动操控的一项技术。它具有非接触性、无损伤、高精度等特点与优势,而被广泛应用于医学、生物学、物理学等多个科学领域,有效促进了相关领域的发展。涡旋光束具有确定的轨道角动量和暗中空光场分布特性而被关注。本文理论上计算了基于涡旋隐逝场和基于涡旋聚焦场的两种光纤光镊对微粒的捕获力,并分析了粒子在两种不同形式涡旋场中的运动状态。实验上通过单模-多模光纤耦合激励出高阶涡旋场,并依靠单光纤光镊捕获系统,完成了对酵母细胞的轴向捕获和捕获力测量。本文首先介绍了光镊技术的背景和近年来的发展和应用,说明了涡旋场光镊的主要特点和捕获机理,以及涡旋光束的轨道角动量。并介绍了两种结构单光纤涡旋场光镊的主要结构和捕获效果。理论部分由两部分构成:（1）利用射线模型分析了米氏粒子在涡旋隐逝场中的捕获力,结果显示横截面内梯度力和散射力的大小总是随径向距离增大而减小。始终指向光轴方向的梯度力会将微粒捕获到光纤表面,而在角向散射力的作用下,粒子会产生绕光轴的旋转运动。同时本文还探究了微纳光纤直径和微粒半径对捕获力的影响,发现梯度力和散射力的变化曲线都是先增大后减小。（2）利用T矩阵理论和麦克斯韦应力张量积分计算了单层粒子和双层粒子在涡旋聚焦场中的受力和力矩。结果显示线偏振场的聚焦场分布存在角向非均匀性,微粒在其中做轨道运动的轨迹是一个椭圆,但是在其他几种偏振场则是正圆轨迹。随着光束阶数的增大,微粒的旋转周期逐渐增大,并且线偏振场中的椭圆轨迹离心率会减小。运动轨迹随着微粒半径增大而减小,当微粒半径大于某个临界值时就会被捕获到光轴上,无法进行轨道运动。对于双层粒子,内层为高折射率的双层粒子具有更大的捕获力,内层为低折射率的具有更大的旋转频率。实验部分,本文利用化学腐蚀法制备了多模光纤探针,并测量了不同温度下光纤包层和纤芯的腐蚀速率。而后通过单模-多模光纤耦合激励出高阶模式,并依靠单光纤光镊捕获系统进行了酵母细胞的轴向捕获和捕获力测量。结果显示多模光纤探针捕获力比单模光纤探针要小得多。同时本文还探究了粒子大小和错位耦合中纤芯错位量对捕获力的影响。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 涡旋场光纤光镊的基本原理

1.3.1 涡旋光束的角动量

1.3.2 涡旋场光镊的捕获机理

1.3.3 涡旋场光纤光镊的分类

1.4 主要研究内容与安排

第2章微粒在微纳光纤涡旋隐逝场中的受力与运动

2.1 微纳光纤涡旋隐逝场分布

2.2 射线光学理论模型

2.2.1 单光线捕获力

2.2.2 单光束的捕获力

2.3 涡旋隐逝场对米氏粒子的作用力

2.3.1 米氏粒子在涡旋隐逝场中捕获力矢量分布

2.3.2 微粒半径和微纳光纤半径对捕获力的影响

2.4 本章小结

第3章微粒在涡旋聚焦场中的受力与运动

3.1 涡旋聚焦场分布

3.2 T矩阵方法

3.2.1 粒子的T矩阵

3.2.2 力和力矩的计算方法

3.3 涡旋聚焦场对粒子的作用力和力矩

3.3.1 单层粒子在涡旋聚焦场中的受力与运动

3.3.1.1 光束偏振态对微粒操控的影响

3.3.1.2 线偏振角的线偏振场对微粒轨道运动的影响

3.3.1.3 微粒半径对涡旋场捕获的影响

3.3.1.4 光束阶数对微粒操控的影响

3.3.2 双层粒子在涡旋聚焦场中的受力和运动

3.3.2.1 光束偏振态对双层粒子操控的影响

3.3.2.2 光束阶数对双层粒子操控的影响

3.3.2.3 内层折射率对双层粒子操控的影响

3.3.2.4 内层半径对双层粒子操控的影响

3.4 本章小结

第4章涡旋场光纤光镊对微粒的捕获与操控

4.1 化学腐蚀法制备光纤探针

4.1.1 化学腐蚀法的基本原理

4.1.2 腐蚀速率的测量

4.1.3 光纤探针几何形态测量

4.2 光纤光镊捕获实验及结果分析

4.2.1 多模光纤内高阶模式的传输

4.2.2 酵母细胞的捕获与捕获力测量

4.3 本章小结

第5章总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间获得与学位论文相关的科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张闹

导师: 张波

关键词: 光纤光镊,涡旋光束,轨道运动,捕获力,力矩

来源: 武汉理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 武汉理工大学

分类号: TN253

DOI: 10.27381/d.cnki.gwlgu.2019.000232

总页数: 71

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