基于数字微镜阵列的多模光纤全息光镊及其应用研究

Optical tweezer is a micro-particle trapping and manipulation technology based on the light-matter interactions which constructs a link between optical field and other disciplines. Multimode fiber (MMF) holographic tweezer is one of the novel optical tweezer technologies. It has both the merits of optical fiber tweezer and holographic tweezer, which can simultaneously achieve multiple particles trapping in large scale and with high precision. However, its applications are limited by the environmental perturbations. Affected by the perturbations, the wavefront propagating in MMF will be distorted and the trapped particle will escape as a result. Hence, this project aims to solve this key points and nodi in MMF holographic tweezer and enhance the system stability. The research contents of this project are systematic, pioneering and exploratory, as following: 1) Study the intrinsic relationship between the transmission matrix and MMF eigenmodes. Analyze the inherent laws of the transmission matrix variations as the external perturbation. 2) Design the MMF 3D hologram iteration algorithm based on digital holography and the perturbation compensation scheme. 3) Explore the potential applications of the proposed tweezers in bio-medical field and life science. The implementation of this project can help to enrich the mechanism of optical tweezer technology and promote the development of optical tweezers and their applications in relative disciplines.

光镊技术是利用光与物质相互作用实现物质微粒的捕获与操控的技术，是光学与其他学科融合的桥梁。多模光纤全息光镊是一种新型光镊技术，其兼具了传统光纤光镊与全息光镊的优势，可同时实现多个微粒大范围、精细的的独立操控。然而，其应用受限于环境的扰动。受扰动的影响，传输的目标波前发生畸变而使捕获粒子逃逸。如何实现多模光纤远端的三维空间中多个粒子的大范围稳定捕获与精准操控是目前研究亟待解决的关键问题。针对上述问题，本项目首次提出以数字微镜阵列为核心的多模光纤全息光镊系统，完成以下具有系统性、开创性、探索性的研究：1）深入研究传输矩阵与本征模式的内在联系，诠释传输矩阵随扰动变化的内在规律。2）构建基于数字全息技术的迭代算法，设计扰动补偿方案。3）探索基于数字微镜阵列多模光纤全息光镊在生物医学领域的应用。本项目的实施丰富了光镊技术的机理，进一步推动光镊在各领域的应用，为相关研究提供了新的思路与广阔的发展空间。

多模光纤全息光镊是一种新型光镊技术，其兼具了传统光纤光镊与全息光镊的优势，可同时实现多个微粒大范围、精细的的独立操控。然而，受环境扰动的影响，传输的目标波前发生畸变而使捕获粒子逃逸。如何实现多模光纤远端的三维空间中多个粒子的大范围稳定捕获与精准操控是目前研究亟待解决的关键问题。因此，本项目面向环境扰动下多模光纤中光场的稳定传输开展了一系列创新性研究。代表性研究成果如下：1.提出了一种双微盘光子微腔元胞，利用微腔的旋转实现回音壁模式与角动量的耦合，结合双波导耦合模型以及Sagnac-Fizeau效应，构建理论分析模型并讨论Fano谐振以及模式分裂谐振在不同旋转频率下的非互易特性。2.设计了一种基于激光散斑分析的水体盐度传感器。通过CCD采集多模光纤中散斑信息的变化，实现海水盐度的测量在10%-20%的盐度范围内具有良好的线性度，灵敏度达-0.01086/%。3. 提出一种激光偏振散斑分析技术，基于该技术与磁流体磁致双折射特性，设计了一种温度自补偿的磁场传感器，在40~140 Gs的磁场强度范围内，具有良好的线性响应，灵敏度为0.0029/Gs。4. 结合偏振散斑复用与深度学习技术，提出一种基于双模态融合的多模光纤散斑图像重建与分类技术，实现了对手写数据集以及Fashion数据集的重建以及准确分类。少量样本下，在采用偏振复用双模态融合情况下，准确性高达98.44%。5. 提出了一种基于45°TFBG的大量粒子或粒子簇捕获技术，在双-TFBG及四-TFBG光捕获系统实现稳定捕获，分析了不同参量对捕获性能的影响。通过参量的控制实现了全光高精度粒子线性操控以及旋转操控。在三年的研究期间，我们在以上方面发表相关高水平学术论文35篇，学术会议论文1篇；申请并公开相关国家发明专利3项，其中项目资助期间授权发明专利2项；培养博士研究生2名（在读），培养硕士研究生3名（其中2名已毕业，1名在读）。项目负责人在资助期内入选天津市“131”创新型人才培养工程第三层次人选。综上，我们完成了预期研究目标的要求。