光纤微腔的制备及其光操控特性研究

发布时间：2020-06-03 05:57

【摘要】：自上世纪六十年代末,美国贝尔实验室的Ashkin对光操控进行了开创性的研究后,光操控和光捕获技术得到了迅速的发展。光镊利用光学势阱来捕获、操控微粒,具备非接触、无损耗的特点,光纤光镊更有轻便、灵活、成本低的优势。近几十年来,国内外科学家对基于光纤光镊的光操控与光捕获技术进行了大量的研究,光纤光镊的应用扩展到了测量、生物、医药研究等领域。本文提出了一种带有微腔结构的光纤光镊,使用基于时域有限差分算法的模拟仿真软件系统地研究了其捕获特性。仿真结果表明,在微腔内填充水和透明紫外胶后,由于干涉引起光强增加,在汇聚点能够捕获直径为3μm的二氧化硅微粒。在此基础上,研究了此结构捕获特性与填充物材料的折射率和填充量的关系。该光纤光镊具备直径大、结构结实、不易断裂的优点,适用于生命科学方向的研究。设计并在光纤尖端制作了一种空腔外镀膜的结构,采用时域有限差分方法计算分析了该结构的捕获特性,并通过实验验证了该结构对微粒的大范围捕获。实验结果证明,该结构能利用光泳力捕获聚苯乙烯微粒,以及操控大范围的二氧化硅微粒,随着光功率的增加,能提高微粒的操控效率。由于两种微粒的运动现象不一致,因此可以通过此结构实现微粒的分选。镀膜后的微结构光纤不仅简化了复杂的光路,而且可以多次重复使用,降低了成本,更具实用性。
【图文】：

过程图,二氧化硅微粒,亚波长,操控

逑２０１２年中山大学张W毜热吮ǖ剂耸褂米缎喂庀颂秸氩痘瘛⑶团帕辛Ｗ渝义系姆桨溉缤迹保彼尽ｅ义稀鰕甒逡逑■■■■■■逡逑图Ｕ光镊排列微粒［４７］逡逑２０１２年，中国科学技术大学李银妹课题组首次报导了利用光镊技术操控小逡逑白鼠体内的红细胞并且可以清除其血管中的血栓［４８］，如图１．２所示。逡逑■■逡逑图１．２光镊清除小白鼠血管内的血栓［４８］逡逑２０１４年，Ｎ．邋Ｍ．邋Ｈａｍｅｅｄ等人在涂敷１００ｎｍ厚金属铝层的聚合物微光纤锥上逡逑刻出领结型纳米孔径天线，利用入射光照射纳米天线，激发领结型纳米天线谐振，，逡逑形成一个独立的纳米光源，从而实现了对直径２５０ｎｍ聚苯乙烯胶乳粒子的光捕逡逑获［４９］。逡逑２０１５年，意大利那不勒斯Ｇｉｕｓｅｐｐｅ邋Ｐｅｓｃｅ团队使用光纤光镊进行电泳和介电逡逑泳力的测量逡逑３逡逑

光场分布,操控,中国科技大学,微粒

２０１４年，中国科技大学张青川教授课题组利用基于光泳力的弱聚焦圆孔衍逡逑射光场实现操控不规则吸光性微粒，分析与验证了微粒旋转频率与光强的关系逡逑［６１】，如图１．４所示。逡逑图１．４微粒的旋转［６１］逡逑２０１７年，中国科技大学龚元教授实验组利用双波长操控和筛选大量微粒［６２］。逡逑１．３课题的来源和主要内容逡逑１．３．１课题来源逡逑江苏省高校自然科学研究计划（ＮＯ：邋１６ＫＪＢ５１００１７）。逡逑１，３．２课题的研究内容逦＜逡逑本文首先在第一章中介绍了光操控的研究背景、意义以及光操控的发展史。逡逑第二章介绍了光操控中常见的方法的原理，包括利用光学辐射压力、表面等逡逑离激元、光泳力三种方法。并且介绍了模拟光操控的数值计算方法的原理即时域逡逑有限差分方法的原理。把Ｍａｘｗｅｌｌ方程组差分离散后，讨论方程组解的收敛性及逡逑稳定性；同时也详细介绍了吸收边界中的完美匹配层的原理；也介绍了如何选取逡逑网格以及选择高斯光作为激励源的原因。逡逑第三章通过实验、计算并分析后提出了光纤尖端带有微结构光纤光镊。通过逡逑对不同微结构的大量计算发现微结构光纤不仅有可以改变光纤头捕获、驱赶粒子逡逑的能力，还有结实、稳定，不容易断裂的优势。主要介绍了微腔注入紫外胶的光逡逑纤微结构模型及仿真参数，计算了激光通过光纤后的光场分布并对它进行讨论分逡逑析；介绍了在光场中加入微粒后对微粒表面的麦克斯韦应力张量作积分，计算得逡逑微粒所受的光力
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253;TP391.9

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