一种牵引光束产生装置及产生方法与流程

本发明涉及一种光束产生装置及产生方法，尤其涉及一种新型牵引光束产生装置及产生方法，属于特种光束研究领域。

背景技术：

能实现光学牵引效果的光束称为光学牵引光束，牵引光束是一种反物理直觉的光学现象，改变了在此之前研究者们通常认为的无衍射光束对物体必定施加推力的基本认识，光学牵引力这种反常的现象必定隐含着某些特殊的光与物质相互作用的新规律，因此在光的本性以及光与物质相互作用的基础研究中有重要的意义，同时牵引光束可以实现对物体的长距离操控和输运，基于牵引光束的光学分离技术，被认为是在生物医药方面最有前景的光学手段。

2011年，复旦大学的junchen和香港科技大学的c.t.chan小组提出了光牵引力的概念(naturephotonics,2011,5(9):531-534)，在chen等人的工作中，利用非衍射的贝塞尔光束照射一小球，入射光会激发微粒的多极矩，通过多极干涉增大了在光束传播方向上的散射光，当散射光动量大于入射光动量时，微粒将得到负动量，从而逆着光束传播方向运动。2013年brzobohaty等人(naturephotonics,2013,7(2):123-127)采用双光束干涉的方法实现了光学牵引力，利用双光束干涉增强了粒子的前向散射，从而使物体获得一个光学拉力，实现了不同粒子分离的效果。

目前牵引光束的研究，大多基于空间光路，需要采用空间光调制器等昂贵而大型的空间光学设备，通过各种空间光学元件实现光场的构建和变化，存在光路复杂、光学系统庞大等问题，并且很难实现探针式应用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了产生一种在光传播方向上具有无衍射、无梯度特性的牵引光束产生装置及产生方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种牵引光束产生装置，包括单芯光纤、环形芯光纤和环形芯贝塞尔光纤；所述单芯光纤、环形芯光纤和环形芯贝塞尔光纤依次连接，所述单芯光纤和环形芯光纤连接点为耦合锥区，所述环形芯贝塞尔光纤由包层以及多个同心圆环形波导芯构成，所述环形芯光纤纤芯与环形芯贝塞尔光纤最内侧环形波导芯连接，所述环形芯贝塞尔光纤的端面为圆锥台结构。

本发明还包括这样一些特征：

1.所述环形波导芯的空间排布满足贝塞尔-高斯函数；

2.所述环形芯光纤纤芯厚度和折射率与环形芯贝塞尔光纤最内侧环形波导芯一致；

3.所述环形芯光纤纤芯关于光纤主轴对称，并处于同一内外包层中；

4.所述的单芯光纤为单模光纤或多模光纤，光纤纤芯位于光纤轴心。

一种牵引光束产生方法：

光源注入单芯光纤中的光通过耦合锥区在环形芯光纤中形成环形光束，

环形光束注入到环形芯贝塞尔光纤传输一段距离后稳定形成类高阶贝塞尔光束，

经过环形芯贝塞尔光纤的圆锥台端面后对类高阶贝塞尔光场进行组合重构，产生牵引光束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.相比于传统空间光学构造光束的方法，本发明提供了一种用于微观环境的牵引光束的可行性方案，这种方法兼具了光纤的灵活性、微型化和牵引光束的优点，在生物、化学和微加工领域具有很好的应用前景。

2.这种新型的牵引光束不仅具有对称的空间结构，还具备贝塞尔光束无衍射的特点，能对处于其中的微小粒子实现长距离光学牵引操作，丰富了牵引光束的结构形式。

3.采用的器件价格低廉，制备方法简单。

本发明利用光纤技术在光纤中产生类高阶贝塞尔光束，然后经过一个特殊设计的光纤端面对光场进行组合重构获得新型牵引光束，组合后的新型牵引光束在光束传播方向上具有无衍射、无梯度的特性，在没有梯度力作用的情况下，能对处于光束中的微小粒子实现光学牵引。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是环形芯贝塞尔光纤内光波耦合过程仿真图；

图3是环形芯内激发环形光束结构示意图；

图4a是环形芯贝塞尔光纤研磨端面示意图；

图4b是图4a的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

一种牵引光束产生装置及产生方法，包括光源1、单芯光纤2、环形芯光纤3、单芯光纤2和环形芯光纤3一端焊接并在焊点处熔融拉锥而形成的耦合锥区4、环形芯贝塞尔光纤5，环形芯贝塞尔光纤5端面经过加工形成的圆锥台结构6，其特征在于，光源1注入单芯光纤2的光通过耦合锥区4在环形芯光纤3中形成环形光束，环形光束注入到环形芯贝塞尔光纤5传输一段距离后稳定形成类高阶贝塞尔光束，经过环形芯贝塞尔光纤5的圆锥台端面6后对类高阶贝塞尔光场进行组合重构，产生一种在光传播方向上具有无衍射、无梯度特性的新型牵引光束；所述的环形芯光纤3的环形芯位置关于光纤主轴对称，并处于同一内外包层中；所述的环形芯贝塞尔光纤5由包层以及多个同心圆环波导层构成，多个同心圆环波导层的空间排布近似满足贝塞尔-高斯函数，环形光束输入到环形芯贝塞尔光纤5耦合传输一段距离后，在环形芯贝赛尔光纤5中产生类高阶贝赛尔光束；环形芯光纤3纤芯的厚度和折射率与环形芯贝塞尔光纤5最内侧环形波导芯一致，两纤芯正对进行焊接，使得环形光束注入到环形芯贝塞尔光纤5中。

光源发出的光经过耦合锥区4后，在环形芯光纤中产生环形光束，环形光束在环形芯贝塞尔光纤中耦合传输，满足的耦合方程为：

其中κpq是环形芯p与环形芯q的耦合系数，可表示为：

εq—ε表示纤芯q与周围包层的介电常数差，而环形芯p中的电场可表示为：

这样，就得到环形芯贝塞尔光纤中的横截面光场：

当一环形光场输入到环形芯贝塞尔光纤后，光波会沿环形纤芯传输的同时不断的向外面各层波导层中进行耦合传输，经过一段距离的光波调制，最后在光纤中生成类高阶贝赛尔光束，如图2所示，当类高阶贝赛尔光束经过设计的光纤圆锥台端面之后，改变光束出射方向，使出射光场能够实现大角度汇聚和组合重构，由于贝塞尔光束具有自恢复特性，组合后的光束在光束传播方向上具有无衍射、无梯度的特性，而且进一步加大了光束在散射方向上的动量分量，能对处于光束中的微小粒子实现光学牵引，产生在光束传播方向上具有无衍射、无梯度特性的新型牵引光束。

实施例一：

1.选用波长980nm激光光源，截取1.5m单模光纤，单模光纤一端面经过涂覆层剥除、清洗、切割后，插入裸纤适配器中，将裸纤适配器接入激光光源输出接口。

2.截取一段环形芯光纤，将环形芯光纤一端、单模光纤另一端经过涂覆层剥除、清洗、切割后放入光纤焊接机并焊接。将焊接后的光纤装载到氢氧焰光纤拉锥机夹具上，使焊点处于氢氧焰火焰头正下方。环形芯光纤的另外一端经涂覆层剥除、清洗、切割后连接电脑的ccd监测环形芯光纤环形纤芯的出射光场，当环形芯光纤出射环形光束后停止拉锥，用玻璃套管封装，保护锥区，如图3所示。

3.取一段环形芯贝赛尔光纤，将环形芯光纤另一端、环形芯贝赛尔光纤一端经过涂覆层剥除、清洗、切割后放入光纤焊接机中，在焊接的时候，环形芯光纤纤芯和环形芯贝赛尔光纤最内侧环形波导芯正对在一起进行焊接。

4.如图4所示，利用光纤研磨技术将环形芯贝赛尔光纤另一端加工成圆锥台形状，研磨角度为45°，研磨深度必须保证可以实现类高阶贝塞尔光束的聚焦。

5.将波长为980nm的光注入到单模光纤中，在环形芯贝塞尔光纤的磨锥端即可出射产生一种在光束传播方向上具有无衍射、无梯度特性的新型牵引光束。

实施例二：

1.由实施例一的步骤构建完一种新型的牵引光束之后，利用胶头滴管将配制好的聚苯乙烯球溶液滴到载玻片上，将载玻片放到显微镜的载物台上。

2.利用三维操作平台将环形芯贝赛尔光纤经磨锥加工过的端面伸入到聚苯乙烯球溶液中，使光纤端面完全浸入，而且不与载玻片直接接触，光纤放置的方向和载玻片所在的平面平行。

3.调节显微镜焦距，直至在显微镜的目镜内可以清晰、完整的看见光纤端面和聚苯乙烯球溶液内的聚苯乙烯小球。

4.打开波长为980nm的光源，调整光源功率至30mw左右，调节三维操作平台移动光纤端面，即可对处于牵引光束范围内的聚苯乙烯小球实现牵引的效果。

综上所述：本发明提供了一种新型牵引光束及其构建方法。它是将单芯光纤、环形芯光纤和环形芯贝赛尔光纤依次焊接在一起，在单芯光纤与环形芯光纤焊接处熔融拉锥，单芯光纤注入的光通过耦合锥区在环形芯光纤中生成环形光束，将环形光束注入到环形芯贝塞尔光纤中，经过一段距离的传输，最后在环形芯贝赛尔光纤中产生类高阶贝塞尔光束，经过环形芯贝塞尔光纤圆锥台端面后对光场进行组合重构，获得一种在光传播方向上具有无衍射、无梯度特性的新型牵引光束，能对处于光束中的微小粒子实现光学牵引，在生物、化学和医疗领域具有很好的应用前景。