[发明专利]基于环形芯同轴螺旋波导光纤的粒子光操纵器件

说明书

本发明是一种基于环形芯同轴螺旋波导光纤的粒子光操纵器件。其特征是：所述器件由一段环形芯同轴螺旋波导光纤1组成，并且光纤的纤端经过研磨形成纤端圆锥台2；该环形芯同轴螺旋波导光纤1包含包层3、环形纤芯4和一个由多个螺旋波导5组成的中央纤芯6。一方面，该器件可以通过环形芯同轴螺旋波导光纤1纤端出射强聚焦环形光场10，在纤端外的聚焦点附近实现对粒子11的稳定三维俘获，实现对粒子11的定位和定轴功能；另一方面，也可以通过控制螺旋纤芯出射的相位涡旋光束14的能量大小来实现粒子11的定轴旋转15和旋转弹射16。本发明可用于光信息传输、光学微操纵、显微成像、药物颗粒等微小粒子的光操纵以及光纤集成器件应用等领域。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于环形芯同轴螺旋波导光纤的粒子光操纵器件，可用于光信息传输、光学微操纵、显微成像、药物颗粒等微小粒子的光操纵以及光纤集成器件应用等领域。

(二)背景技术

电磁场的动量有两部分组成：线动量和角动量。而角动量又分为两种：自旋角动量和轨道角动量。1992年Allen发现光场带有轨道角动量，这才引起了涡旋光束的进一步被研究。由于涡旋光束携带有轨道角动量，其大小为因此当涡旋光束照射到微粒上时，光子所带的轨道角动量直接传递给微米、亚微米量级的微粒，引起微粒的旋转。除了可引起微粒的旋转外，涡旋光束可实现对微粒的俘获和平移。当l＝+1(或l＝-1)时，光波中的每个光子含有能量的左旋(或右旋)轨道角动量，光波的波前呈现左旋(或右旋)单螺旋结构。同样轨道角动量，光波的波前则为左旋(或右旋)双螺旋结构，当l＝+2(或l＝-2)时，光波中的每个光子含有能量的左旋(或右旋)。

涡旋光产生方法有很多。在自由空间中，可通过螺旋相位板(SPP)、螺旋相位板(SPP)等方式生成涡旋光束。专利(201310428704.4)介绍了一种产生稳定涡旋光束的装置及方法，该装置采用液芯光纤来生成涡旋光束，但操作难度大，制作要求比较高。专利(201310030066.0、201310030067.5和201310029915.0)公开了多种纤芯折射率呈手性分布的特种光纤用于生成相位涡旋光束。专利(US6839486)公开了一种对偏芯、椭圆芯、矩形芯等扭转而成的手性结构光纤，该光纤不但可以实现光栅功能，同样可以生产涡旋光束。

1970年，Aahkin等首先提出能利用光压(optical pressure)操纵微小粒子的概念。一直到1986年，Ashkin才发现只需要一束高度聚焦的激光，就可以形成稳定的能量阱能将微粒稳定俘获，形成了光镊。当会聚激光束照射到微粒上时，激光发生折射和反射，也包括一部分吸收。被微粒反射和吸收的光作用就是光辐射压力，或者称散射力，其方向与光传播方向一致，它趋向于使小球沿光束传播方向运动。与此同时，光束经过微粒会发生多次折射，有些会聚光线折射后传播方向更趋向于光轴(即光束传播方向)，从而增大了轴向动量，因而给与微粒与光传播方向相反的作用力，表现为拉力，这就是轴向梯度力的本质，由于此拉力的作用，导致粒子在轴向可以稳定在激光焦点附近。而微粒在横向的偏离，由于光场的非均匀性，也会受到指向激光焦点的回复力，即横向梯度力。在梯度力和散射力的共同作用下，微粒被稳定束缚在激光焦点附近。