多模光纤探针的制备与应用开题报告

全文总字数：5975字

1. 研究目的与意义（文献综述）

光镊（opticaltweezers）最早是由ashkin提出，他在1970年首次提出了利用光产生的辐射压力加速液体中悬浮粒子的实验结果^[1]。同年又与dziedzic提出了用两个对向激光束实现光学悬浮的新技术^[2]。这一技术为研究微观世界尤其是纳米世界开辟了崭新的道路。同时他本人也在2018年获得诺贝尔物理学奖，这证明光镊和光操作技术已经成为许多科学领域的重要组成部分，特别是细胞生物学^[3-6]和物理学领域^[7]方面。在国内范围内，中国科学技术大学的李银妹教授是光镊领域的先行者，她及其研究团队用单光纤光镊对微球黏附细胞实现了拉伸微球，从而得到了红细胞的弹性模量，并从而分选出了单个水稻染色体^[8]。除此之外，国内在基于微光学器件及原理的相关光镊技术、双光镊测定蛋白质的相互作用、光镊技术研究黏附动力学以及双芯光纤的光镊研究方面也有不小的建树，为推进光镊技术的发展做出了不小的贡献。

光镊的基本装置是以一个倒置的显微镜为基础，另外还包括捕获光源（激光）、捕获聚焦镜（显微镜物镜）、合适的样品池、一套调节显微镜物镜与捕获目标之间距离和相对位置的操作平台、实现观测器件与显微镜光学耦合的器件，以及一套观察和记录光镊对目标捕获过程、目标运动状态的实时监测记录系统，光源则一般选择近红外光源^[3]。捕获聚焦镜一般是采用高倍率大数值孔径的显微镜物镜，能形成高度聚焦的捕获光束，另外也有利于操纵和分辨目标的精细结构。对于操作阱台的要求，主要是考虑其精度，要求操作精度在微米和亚微米量级，一般采用步进电机驱动和密传动装置搭配。而所谓光耦合元件包括双色分束器和分光板，其中双色分束器的功能就是将捕获激光束阻隔并反射进捕获聚焦镜的孔径，使得照明光束进入显微镜目镜和其他监测设备中，而分光板的作用就在于我们能够同时观测和记录捕获过程，而光纤探针作为光镊技术不可或缺的重要工具，自然其制备与应用也是研究的重中之重。

光镊对于捕获和移动微米到纳米级别的物体有着无可替代的优势和作用。而且相对于传统的镊子，它利用激光束实现非机械弹性捕获，不存在机械损伤物体的可能。同时光镊系统的所有机械部件与捕获对象的距离远大于捕获对象的尺度，不会干扰到捕获对象的周边环境。另外，可以利用红外光能够穿透生物微粒的特性从而实现对活体微粒的操控，如细胞、细胞器(细胞内的线粒体、叶绿体、核糖体等微粒)

2. 研究的基本内容与方案

2.1、研究的基本内容

多模光纤传输的光场模式特点为由于渐变多模光纤中的特殊折射率分布，当激光在渐变多模光纤中传播，其传播路径为正弦函数形状，同时其具有一定的周期性，激光的正弦波形式的传播周期大小是由渐变多模光纤的相对折射率以及光纤纤芯半径等参数来决定的。而这种激光的收敛—发散的传播模式为渐变多模光纤的制备带来了诸多不便。为了最大程度使输出光束会聚，所使用的渐变多模光纤的长度需约为正弦波周期整数倍。如果输入的单模光纤和渐变多模光纤以正对且无径向偏移的方式相连，被激发的模式大多为低阶模式，且当激光在渐变多模光纤中传输较长的长度后，由于光纤中的多个模式发生组间混合和组内混合，且高阶模式的差模衰减（differential mode attenuation）相较于低阶模式更明显，其结果是激光光束大多被束缚在纤芯中央处。也就是说大长度的渐变多模光纤输出光场具有稳定的强度分布。相较于单模光纤，由于渐变多模光纤输出光场的等效模场直径更大，所以将光纤端面加工成特殊锥尖形状，其捕获力应大于相同锥角的单模光纤探针。化学腐蚀法则是利用光纤材料与hf 酸之间的化学反应，在光纤尖端腐蚀形成锥形针尖，从而制备出较大锥角的光纤探针，通光效率可达10^-3，我们打算使用静态腐蚀法制备多模光纤探针，测量探针锥角形貌并使用comsol软件模拟其出射场分布，计算球形微粒在此出射场中的受力与运动。并且利用制备的多模光纤探针搭建单光纤光镊系统， 实现对酵母菌的捕获和操控， 测量捕获力和酵母菌的逃逸速度，并与理论模拟结果比对、分析。

2.2、研究的目标

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解静态腐蚀法制备光纤探针的基本原理，comsol计算软件的使用以及光镊的原理，完成开题报告。

第4－6周：使用静态腐蚀法制备多模光纤探针，并测量其几何形貌。

第7－9周：使用comsol软件模拟多模光纤探针的出射场分布，并分析其特性。计算，分析球形微粒在此出射场中的受力与运动。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] ashkina. acceleration and trapping of particles by radiation pressure[j]. phys. rev. lett, 1970,24(4):156~159.

[2] ashkina and dziedzic j m. optical levitation by radiation pressure[j]. appl. phys.lett, 1971,19(8):283~285.

[3] 刘志海，郭成凯，吴忠福，等. 一种用于细胞操作的单光纤光镊研究[a]. 光子学报，2009，38（4）：901-903.