近场光纤光镊理论与捕获特性研究

【摘要】：目前，科技迅猛发展，科研领域不断深入，诸多科研人员将目光放眼于微观领域。特别是在生物医学领域，对单分子水平的操作显得尤为重要。因而，近年来，近场光镊技术以其自身的独特优点，突破了远场光镊所受到的显微物镜尺寸和光学衍射极限的限制等不足，成为研究微观领域的有力工具之一。因此，为了发展功能更加完善的近场光镊系统，本课题在现有近场光镊模型的基础上，结合现有模型的不足，研究一种基于双芯光纤的近场光纤光镊。 双芯光纤近场光镊系统将双芯光纤与全内反射原理相结合，在光纤端面形成倏逝场，利用该倏逝场对物体实现捕获操作。利用双芯光纤构成的近场光镊，相向传输的相干光叠加构成捕获区域，干涉效应使得光强增加的同时捕获空间进一步缩小，而且该系统可以实现近场光镊及其操纵与显微观察系统有效分离。同时，近场光纤光镊加工方法简单，具有可重复性。 对于双芯光纤的近场光纤光镊，首先需要按照一定的角度将双芯光纤研磨成圆锥台结构，然后在光纤锥面上镀上高反射率的金属膜。对于圆锥台结构的双芯光纤构成的近场光纤光镊系统，本文采用二维时域有限差分法对光纤端面的出射光场进行了仿真分析，并结合有限元法计算了微米尺寸的粒子所受到的光阱力。分别讨论了不同形状光纤端面的出射光场以及不同的入射角、两光束存在相位差时，出射光场的分布情况。同时又分别计算了不同尺寸的粒子在光场中同一位置时的纵向光阱力分布情况、同一尺寸粒子在距离光纤端面不同距离时横向光阱力的分布情况以及同一尺寸粒子在不同入射角条件下的横向光阱力分布情况。通过仿真和计算，在理论上充分验证该模型的稳定捕获特性。