[发明专利]基于环形芯同轴螺旋波导光纤的粒子光操纵器件

权利要求书

1.基于环形芯同轴螺旋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螺旋波导光纤(1)组成，并且光纤的纤端经过研磨形成纤端圆锥台(2)；该环形芯同轴螺旋波导光纤(1)包含包层(3)、环形纤芯(4)和一个由多个螺旋波导(5)组成的中央纤芯(6)；一方面，当向环形芯同轴螺旋波导光纤(1)输入环形光(7)后，在环形纤芯(4)中会激发产生环形芯导模(8)，再经过纤端圆锥台时发生全内反射，反射光波(9)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(10)，从而在纤端外的聚焦点附近实现对微小粒子(11)的稳定三维俘获，实现对微小粒子(11)的定位和定轴功能；另一方面，当向中央纤芯(6)输入高斯光场(12)后，由于中央纤芯(6)的周期性螺旋结构，使得在中央纤芯(6)中传输的低阶线偏振模式可转化为高阶的相位涡旋模式(13)，在光纤端出射相位涡旋光束(14)，然后作用于被强聚焦环形光场(10)捕获的微小粒子(11)；由于相位涡旋光束(14)携带有轨道角动量，所以可以提供给微小粒子(11)旋转力矩；而相位涡旋光束(14)的光辐射压力还可提供微小粒子(11)向前运动的推力，但是当相位涡旋光束能量较小时，该推力无法抵消掉微小粒子(11)受到的光俘获力，因而被稳定地捕获在强聚焦环形光场(10)的焦点附近，在聚焦环形光场提供的俘获力和相位涡旋光束提供的扭转力和推进力的共同作用下实现微小粒子(11)定轴旋转(15)；当相位涡旋光束(14)能量较大时，微小粒子(11)在相位涡旋光束(14)提供的扭转力和辐射压力的共同作用下，直接摆脱强聚焦环形光场(10)光俘获力的束缚，实现微小粒子(11)的旋转弹射(16)。

2.根据权利要求1所述的基于环形芯同轴螺旋波导光纤的粒子光操纵器件，其环形芯同轴螺旋波导光纤及其纤端圆锥台的制备方法如下：(1)先采用MCVD制棒方法制备内壁含有环形芯层的中空环形芯光纤预制棒构件；(2)根据需要在石英棒对应位置加工多个微孔，并插入多波导芯棒形成含有多个波导的中央纤芯预制棒插件，最后把整个插件嵌入中空环形芯光纤预制棒构件中组合成新的光纤预制棒；(3)将制备好的光纤预制棒放置于拉丝塔上进行热融旋转拉丝，在拉丝旋转过程中，含有多波导的中央纤芯形成螺旋结构；(4)用光纤夹具固定住制备好的环形芯同轴螺旋波导光纤，然后把纤端放置于研磨盘上，光纤夹具与光纤研磨盘都能绕各自的中轴自转，通过控制环形芯同轴螺旋波导光纤与研磨盘盘面法线的夹角来制备具有不同张开角的纤端圆锥台。

3.根据权利要求1所述的基于环形芯同轴螺旋波导光纤的粒子光操纵器件，其所述的光束在纤端圆锥台处发生全内反射的方式有两种：一种是通过纤端圆锥台侧面与媒质的交界面的折射率差异产生全内反射；一种是通过在纤端圆锥台侧面镀膜形成的镜面而产生全内反射。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于环形芯同轴螺旋波导光纤的粒子光操纵器件，其特征是：所述的环形芯同轴螺旋波导光纤纤端圆锥台的侧面也是弧面。

5.根据权利要求1所述的基于环形芯同轴螺旋波导光纤的粒子光操纵器件，其特征是：所述的环形芯同轴螺旋波导光纤的中央纤芯的螺距为：相等或者不等。

6.根据权利要求1所述的基于环形芯同轴螺旋波导光纤的粒子光操纵器件，其特征是：所述的一个由多个螺旋波导组成的中央纤芯由两个或两个以上的螺旋波导构成。

7.根据权利要求1所述的基于环形芯同轴螺旋波导光纤的粒子光操纵器件，其特征是：所述的微小粒子为：介质微粒、生物细胞或其他微小粒子。