[发明专利]基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件

摘要

本发明提供的是一种基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件。其特征是：所述器件主要由一段环形芯同轴双波导光纤1组成，光纤的纤端经过研磨形成纤端圆锥台2；其中，该环形芯同轴双波导光纤1包含包层3、非圆形中央螺旋纤芯4以及环形纤芯5，中央螺旋纤芯4和环形纤芯5位于包层3的中央，该光纤可通过旋转拉丝或者先拉丝再热融扭转的方法制备。一方面，该器件可以通过环形芯同轴双波导光纤纤端出射强聚焦环形光场9，在纤端外的聚焦点附近实现对粒子10的稳定三维俘获，实现对粒子10的定位和定轴功能；另一方面，也可以通过控制中央螺旋纤芯出射的相位涡旋光束13的能量大小来实现粒子10的定轴旋转14和旋转弹射15。本发明可用于微流芯片、细胞或药物颗粒等微小颗粒的光操纵以及光纤集成器件应用等。

主权项

1.基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件。其特征是：所述器件主要由一段环形芯同轴双波导光纤1组成，光纤的纤端经过研磨形成纤端圆锥台2；其中，该环形芯同轴双波导光纤1包含包层3、非圆形中央螺旋纤芯4以及环形纤芯5，包层3、中央螺旋纤芯4和环形纤芯5三者的中心同轴；一方面，当向环形芯同轴双波导光纤1输入环形光6后，在环形纤芯5中会激发产生环形芯导模7，环形芯导模7在经过纤端圆锥台2(包层与外界媒质的分界面处)时发生全内反射，反射光波8在纤端包层内衍射传输到达纤端端面，然后在纤端发生折射形成强聚焦环形光场9，从而在纤端外的聚焦点附近实现对粒子10的稳定三维俘获，实现对粒子10的定位和定轴功能；另一方面，当向中央螺旋纤芯4输入高斯光场11后，由于非圆形中央螺旋纤芯4空间轮廓的周期性螺旋，使得中央螺旋纤芯4传输的低阶线偏振模式可转化为高阶的相位涡旋模式12，在光纤端出射相位涡旋光束13，然后作用于被强聚焦环形光场9捕获的粒子10；由于相位涡旋光束13具有螺旋相位面，其光辐射压力的角向分力可以提供粒子10旋转的扭转力矩，而光辐射压力的轴向分力提供粒子10向前运动的推力，当相位涡旋光束13能量较小时，该推力无法抵消掉粒子10受到的光俘获力，这样，粒子10仍然被稳定地捕获在强聚焦环形光场9的焦点附近，在聚焦环形光场9提供的俘获力和相位涡旋光束13提供的扭转力和推进力的共同作用下实现粒子定轴旋转14，实现光马达功能；反之，如果相位涡旋光束13能量只够大，粒子10会脱离俘获力的作用而在相位涡旋光束13提供的扭转力和推进力的共同作用下迅速远离纤端，实现粒子的旋转弹射15。