微纳光纤光力的理论研究

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1、Theoreticalstudyonopticalforceinmicro/-nanofibersADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：XiaoTongSupervisor：Prof.LiZhiyuanSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TN252,TN253,O431学校代号：10561学号：201520122573华南理工大学硕士学位论文微纳光纤光力的理论研究作者姓名：肖统指导教师姓名、职称：李志远教授申请学位级

2、别：理学硕士学科专业名称：光学研究方向：微纳光纤端面所受光力论文提交日期：2018年4月18日论文答辩日期：2018年6月5日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：李润华委员：李志远杨中民邓华秋徐晓摘要微纳光纤的尺寸通常是在亚波长范围内，这使得它具有很多新颖的特性，如：强光场约束、强倏逝场、对微弱光力敏感、机械强度高、质量小等。现如今，纳米科技的高速发展，使得微纳光子器件越来越趋向于微型化、高性能、高集成度。而微纳光纤作为构成微纳光子器件最为基本的构件，必定会在未来占据重要的地位。微纳光纤有众多研究领域，本文研究的是

3、光机械领域中的光力。我们采用时域有限差分法对微纳光纤端面所受的光力进行详细地研究，具体的研究内容如下：1.为了研究不同半径的圆形微纳光纤和不同长短轴比的椭圆形微纳光纤的纵向光力，我们将圆形微纳光纤的半径从275nm变化到375nm，椭圆形微纳光纤的长短轴比从1.1:1变化到1.5:1。发现微纳光纤受到的纵向光光力的大小会随着尺寸的变大而变大。最后我们研究了端面附近网格的大小对端面突变值的影响，发现网格小于4nm时，端面突变值达到了数值收敛。2.我们通过研究橄榄形微纳光纤和倾斜端面微纳光纤来分析微纳光纤受到的横向光力。我们得出结论：当微纳光纤的对称

4、性被破坏时，会受到横向光力的作用。对称性破坏的越彻底，所到的横向光力越大。微纳光纤在横向光力作用下产生的横向偏转是不容忽略和具有实际的应用价值。具体来说，倾斜角为80时，10mm长的微纳光纤在x方向上的位移可达50µm。3.我们主要研究了改变光场的偏振和模式对倾斜端面微纳光纤所受光力的影响。仿真结果表明：当改变光场的偏振时，微纳光纤受到光力变化不大，可以认为偏振对微纳光纤的受力没有影响。当模式为高阶模时，倾斜端面微纳光纤受到的横向光力有正有负，这就意味着我们可以通过改变微纳光纤倾斜的角度来控制微纳光纤的偏转方向。这个发现对微型光机械器件的研究具有

5、实际应用价值。关键词：微纳光纤；时域有限差分法；横向光力；形貌影响IAbstractThediameterofmicro/-nanofiberisusuallyclosetothewavelengthoflight,whichmakesittoexhibitmanynovelfeatures,suchastightopticalconfinement,strongevanescentfield,sensitivetoweaklight,outstandingmechanicalproperties,andsmallweight.Nowadays,

6、withtherapidprogressesinnanotechnology,thereisanincreasingdemandforhigherperformance,denserintegration,andlowerpowerconsumption,whichhasinspiredgreateffortsforminiaturizationofmicro-nanophotonicdevices.Aspotentialbuildingblocksforminiaturizationofphotonicdevices,micro/-nanofi

7、berswillcertainlyplayanimportantroleinthefuture.Thisarticlefocusesontheopticalforceinthefieldofoptomechanics.Weusedthefinite-differencetime-domainmethodtostudytheopticalforceonthemicro-nanofiberendfaceindetail.Themajorresultsforthisresearchisdescribedasfollows:1.Wehavestudied

8、thelongitudinalopticalforceofcircularmicro-nanofibersandellipticalmi