基于模式复用技术的单光纤光镊研究

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1、分类号：密级：编号：UDC：工学博士学位论文基于模式复用技术的单光纤光镊研究博士研究生：王镭指导教师：刘志海教授学位级别：工学博士学科、专业：机械电子工程所在单位：机电工程学院论文提交日期：2014年5月论文答辩日期：2014年6月学位授予单位：哈尔滨工程大学 ClassifiedIndex：U.D.C：ADissertationfortheDegreeofD.EngResearchoftheSingleFiberOpticalTweezersBasedonModeMultiplexingTechnologyC

2、andidate：WangLeiSupervisor：Prof.LiuZhihaiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechatronicEngineeringDateofSubmission：May,2014DateofOralExamination：June,2014University：HarbinEngineeringUniversity 哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本

3、人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者(签字)：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文

4、的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文(□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者(签字)：导师(签字)：日期：年月日年月日 基于模式复用技术的单光纤光镊研究摘要光镊又称单光束梯度力光阱，是用一束高度汇聚的激光形成的三维势阱来实现对微小物体非接触式

5、的捕获和操纵，目前已经在生物、医学、化学等多个微观领域中发挥了重要作用。随着光纤技术的快速发展，光纤器件的引入使得光镊系统捕获的自由度与操控的灵活性得到了大幅度的提升，光纤光镊已经成为了又一探寻微观世界的有力工具。本文研究了一种基于模式复用技术的新型单光纤光镊，使用普通光纤实现对微粒的多种捕获操作，从而达到降低单光纤光镊的制作难度和增强单光纤光镊的操作功能的目的。此种单光纤光镊由一根特殊加工后的标准通信光纤构成，利用光纤中传输的LP01模式光束实现了对微粒的非接触式捕获；通过调节LP01模式与LP11模式光束的光

6、功率比实现捕获微粒在光纤主轴方向的移动；利用LP01模式与LP11模式间的强度干涉调节，实现对微粒的偏转操作；利用光纤中传输的LP11模式光束的剖面光斑调节实现了对微粒的旋转操作。本文就该单光纤光镊功能的实现进行了理论和实验研究，主要工作分为以下几个方面：首先，设计了基于模式复用技术单光纤光镊的整体功能，根据实际应用中对光镊的需求，确定光纤光镊的操作维度，确定整体功能的实现方法，确立光纤光镊模式复用方法的基本思路。又从光纤的模式理论出发了解LP01模式与LP11模式光束的特性，研究了在标准单模光纤中激发高阶模式光

7、束的基本原理，再利用LP01与LP11模式光束的弯曲损耗不同这一特性，控制光纤的弯曲程度来实现在光纤中调节两种模式间的光功率比，建立了光纤低阶模式光束激励及其功率分布控制的新方案，为实现LP01模式的非接触捕获和控制微粒在光纤轴向上移动实验提供了理论依据和实验方法。依据光纤模式间的干涉理论，研究了LP01与LP11模式光束干涉特性，通过在光纤轴向上施加应力的方法，拉伸光纤轴向上的长度，改变两个模式间的相位差，使得两种模式干涉后光斑发生明暗变化，进而达到改变光斑出射光场分布来实现对微粒的偏转操作，提出了利用模式复用

8、技术实现光斑旋转的新方法；由于LP11模式光束两个光斑在平面内具有中心不对称性，通过扭转光纤引入的弹光效应，改变光纤切线方向上的应力分布引起光斑的旋转，实现捕获微粒的旋转操作。其次，设计了一种具有半球形透镜端面的光纤尖，利用电磁场动量守恒定律与时域有限差分（FDTD）相结合的方法分析了LP01与LP11作用于此光纤尖产生的光阱力特性。 哈尔滨工程大学博士学位论文LP01模