基于同轴双波导光纤马达研究

The purpose of this project is to invent a coaxial dual-waveguide fiber optical motor and theoretically and experimentally demonstrate its properties. This kind specially designed fiber consists of a central triple helix-core and a coaxial annular-core. Owing to fiber mode coupling by structural fluctuation induced perturbation of the inner triple helix-core, a phase vortex beam with orbital angular momentum can be converted from an input Gaussian beam. A optical micro-motor (micro particles or cells) can be trapped and rotated by the focused ring beam and the phase vortex beam from cone-frustum shaped coaxial daul-waveguide fiber end, respectively. The properties of the fiber motor will be also studied, such as the structural optimization, optical beam propagation and generation characteristics, and optical force properties for a micro-motor. There are many unique features of the fiber motor, such as small size, easy handling, stable and strong anti-jamming capability. Therefore, it has a great scientific significant to investigate the fiber motor and using the coaxial dual-waveguide fiber to find a novel vortex beam generation method. The fiber motor will be useful for lab on/in fiber, microfluidic chips, and small particles manipulation.

本项目拟开展一种新型同轴双波导光纤马达研究。该器件可实现对微转子（介质微粒或细胞等）的定轴旋转，它主要由同轴双波导光纤组件构成，该光纤包含一个中央三角螺旋纤芯和一个同轴环形纤芯，其纤端为锥体圆台形。一方面，环形纤芯的导模光场被圆锥台纤端强聚焦后形成聚焦环形光场，该光场可对微转子形成稳定的三维捕获，实现转子定轴功能。另一方面，在高斯光场激发下，一定长度的中央三角螺旋纤芯会生成相位涡旋光束，该光束提供给微转子稳定的旋转力矩，实现转子旋转功能。通过对这种光纤马达的结构、光学特性、对微转子的光力学特性等加以深入系统的研究，制备出新颖的微米尺度光马达应用器件。不同于传统光镊，该器件体积微小，操纵灵活，在微流芯片、光操纵、光纤集成器件等领域都具有广阔的应用前景。因此，开展同轴双波导光纤马达的探索和研究，获得具有我国自主知识产权的光纤新器件，对于促进我国新型光纤技术的发展与应用具有十分重要意义。

光镊技术为光操纵与微粒分析提供了一种十分强大的工具，但传统的空间光镊技术受限于自身复杂的结构和较大的空间尺寸，在实际应用中工作距离短、工作方式不灵活，而光纤光镊则由于自身独特的性质而更容易向微型化、集成式、探针式方向发展。因此，如何设计和制备特殊结构的新功能特种光纤，以满足光纤光镊器件的不同实际需求（例如微粒捕获、旋转、弹射、输运等），是本项目开展研究的重点。.基于上述思想，我们设计并制备了多种能够满足光操纵需求的新颖特种光纤，例如：环形芯光纤、同轴双波导光纤、多芯光纤、螺旋芯光纤、艾里光纤等。一方面，通过纤端微加工技术（例如纤端研磨、熔融拉锥）对这些特种光纤的纤端进行处理形成特殊纤端结构（例如圆锥台纤端、圆弧面锥台纤端）来聚焦纤芯中传输的光场，形成强汇聚出射光场（例如强汇聚贝塞尔光场、涡旋光场、艾里光场等），从而实现对微粒或细胞的捕获、旋转、输运以及其他功能。另一方面，通过在这些特种光纤中构建功能性纤芯（例如螺旋三角芯、螺旋多芯以及多种具有结构或材料手性结构纤芯）来实现对微粒的特殊光操纵，例如光枪、光马达。.由于毛细管光纤结构稳定，而且相比于专用特种光纤具有明显的价格优势，因此本项目提出了基于毛细管光纤的单光纤光镊方案，为制备简易、低成本的光纤集成式微粒光操纵提供了可行性方案。并且可以通过特种光纤-毛细管光纤结构来进一步构建新型单光纤光镊，扩展微粒光操纵功能，实现阵列多光阱捕获、微粒震荡、微粒搅拌等。此外，结合超表面技术，我们在特种光纤纤端上还设计了多种金属微纳结构（如一维阵列光栅结构、蜂窝状结构、正方格子结构、同心圆环阵列结构等），为光波场变换以及微粒光操纵方法提供了新的思路。.我们也研制一套全息光镊系统，该系统利用空间光调制器可生成艾里、涡旋、贝塞尔等多种特殊光场，也可实现对微纳粒子的稳定单点或多点光捕获、旋转等功能，为开展特种光束特性研究提供了强大工具，为实现多功能微粒操纵提供了广阔的应用发展空间。.目前本项目仅是利用光纤技术和全息技术实现了对微粒的基础光操纵，在今后的研究中，我们会进一步结合光纤光镊、全息光镊、微流控等技术，深入开发光镊技术，探索光与物质相互作用机制，并通过多学科交叉来促进光力微操控的发展和应用。