摘 要

器件微型化成为现代科学研究和应用的重要趋势的原因离不开人们对器件工作性能和集成度要求的不断提高。光镊技术是80年代基于激光技术而产生的一项重要技术，光镊是由光构成的一种特殊的工具，主要用来操作微粒。几十年来，对光镊控制微粒的原理和应用的研究说明了光镊技术在现代科技中有不可或缺的重要地位。微纳光纤因其具有价格低廉、体积轻便、操作灵活等特点已然成为现代科学技术中信息传递的重要媒介，广泛应用于信息产业和光通信领域。光纤传输激光在短程内损耗非常低且出射的激光光场也呈现特性分布，因此用微纳光纤做光镊可以有效避免固定光阱的限制，光镊这种操纵工具才能真正运用到各个领域，可控制和观察的维度也会更多。

本文主要介绍微纳光纤的研究‌背景和意义以及有关微纳光纤的国内外研究现状，接着从光镊技术的应用出发引出微纳光纤在制作光镊设备方面的优越性。对有关微纳光纤的理论‌研究方面介绍了光纤中的传播模式和分布，分析并推导微纳光纤表面的隐逝场。为了研究微纳光纤的形貌介绍了理论模型，得到理论模型的公式。简要介绍了动态火头拉锥法实验系统，包括熔融拉锥机的使用以及光纤熔接机等设备的使用方法和注意事项。将处理后的光纤放在机器上拉伸。通过改变火头的扫描速度和火头扫描长度得到不同形貌和传输特性的微纳光纤，将不同的实验结果进行对比，分别从形貌和传输特性上对微纳光纤进行分析。最后对于实验过程中碰到的各种难题和相应的处理办法做了总结。

关键词：光镊；微纳光纤；损耗；隐逝场；拉锥机

Abstract

The miniaturization of devices has become an important trend in modern scientific research and application. Optical tweezers technology is an important technology based on laser technology in the 1980s. Optical tweezers are a special tool formed by light, which is mainly used to operate particles. For decades, the principle and application of optical tweezers to control particles have been studied. Micro-nano fiber has become an important medium of information transmission in modern science and technology due to its light weight, low price, and other characteristics, and has been widely used in the field of optical communication. Optical tweezers can effectively avoid the limitation of fixed optical trap by using micro-nano fiber as optical tweezers. Only with optical tweezers as a manipulation tool, can optical tweezers be truly used in various fields and more dimensions can be controlled and observed.

This paper mainly introduces the research background and significance of micro-nano fiber and the research status of micro-nano fiber at home and abroad, and then from the application of optical tweezers technology leads to the advantages of micro-nano fiber in the production of optical tweezers equipment. The basic parameters of the experiment were determined by reading the literature. The experimental preparation of micro - nano fiber is described in detail. This paper introduces the experimental system of dynamic flame-heated fiber drawing method, including the use of melting FBT machine and the use method and matters needing attention of the equipment such as fiber fusion welding machine. By changing the scanning speed and scanning length of the burner, micro-nano optical fibers with different morphologies and transmission characteristics are obtained. Finally, the problems encountered in the experiment and the corresponding solutions are summarized.

Key words: Optical tweezers; micro-nano fiber; loss; evanescent field; FBT machine

目 录

第1章 绪论 1

1.1 微纳光纤的介绍及研究背景与意义 1

1.2 有关微纳光纤研究的国内外现状 2

1.3主要研究内容及安排 3

第2章 微纳光纤理论研究 5

2.1 光纤中的传播模式及其分布 5

2.3 微纳光纤表面隐逝场 6

2.4 微纳光纤形貌理论模型 7

2.5 本章小结 9

第3章 微纳光纤的实验介绍 10

3.1 制备方法比较及确定 10

3.2 动态火头拉锥法实验系统介绍 10

3.2.1 系统组成 10

3.2.2 熔融拉锥机器和电脑系统介绍 10

3.2.3 形貌观测系统介绍 11

3.2.4 功率测量系统介绍 11

第4章 微纳光纤实验制备及结果分析 12

4.1 前期准备及实验过程 12

4.1.1 对照组的划分和实验参数的确定 12

4.1.2 基本实验步骤 12

4.1.3 数据处理 15

4.2 实验结果分析 15

4.2.1微纳光纤功率损耗 15

4.2.2微纳光纤的形貌 19

4.3 实验过程中发生的问题及解决办法 22

4.4 本章小结 23

第5章 总结与展望 24

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

1.1 微纳光纤的介绍及研究背景与意义

进入21世纪，传统通信方式已经无法满足现代通信的需求，光纤通信也不例外，正在朝着超高传输速度，超大传输容量和超长的传输距离方向蓬勃发展。光纤通信与电缆和微波通信传输相比有许多明显的优势：光纤通信的传输容量极大，一根光纤理论宽带容量为20 Thz。这就相当于一秒钟的时间就能把古今中外的人类全部资料传输完毕。光纤的传输损耗也很低，以至于无中继传输的距离达上百公里；同时光纤通讯还有保密性好、信号干扰小的特点；电通信解决不了的各种电磁干扰问题在光纤通信上得到解决^[7]；光纤重量轻而且尺寸小更加利于运输和铺设；更加重要的是难于窃听。当然，任何物体都不是完美的，光纤通信也存在缺点与不足：光纤的材质脆，机械强度很差，不能过度弯曲，因此对光纤进行各种操作时要格外小心，稍不注意就会折断；另外光纤的连接和切断都需要技术、设备或工具^[1]。例如要用到光纤熔接机才能把两根光纤连起来；光纤也存在弯曲损耗问题，因此弯曲半径不能太小。

各种器件的集成度和工作性能都需要不断提高才能满足日益发展的器件微型化的重大趋势。微纳光纤与其他类型的光波导相比不仅有粗糙度极低的波导表面、极低的耦合损耗、高折射率差的强制光场，还有非常轻的质量、灵活的色散特性以及大百分比的倏逝场等一系列优点^[2]。微纳光纤可以说是纳米技术和光纤光学的结合产物，同时也是近年来不断发展的微纳光子光学和光纤光学等一系列热门领域的前沿研究方向之一^[3]。微纳光纤之所以得到重视是因为应用它的特性能解决许多科学研究中的困难问题，或者为这些问题的解决提供了思路。例如，想要操控冷原子和纳米颗粒就需要在光纤的表面形成非常大梯度的光场，需要很大的光学梯度力，而微纳光纤因其有强约束的强倏逝场特性刚好能解决此问题。另外，要想实现高效的声子和光子之间的转换或者耦合，可以利用微纳光纤的质量小的特点，质量小就能将在其中传输的光的动量变化显示在光纤明显的机械状态变化上。

微纳光纤由几个部分组成：两端部分（与传统光纤尺寸相同的那两段）、过渡区域（光纤的直径在一定比例下逐渐减小并且呈现锥形）和一段直径均匀的且在亚波长量级的腰束部分。其中腰束部分就是微纳光纤的主要工作部分。微纳光纤的核心特征就是当光通入微纳光纤时，腰区位置大部分光是沿着光纤外部传输的。也就是说，发生在波导和其周围介质分界面上的全反射将光束缚在波导中传导。随着全反射的发生，在两种介质面上的光强度不是立即衰减为零的，而是先进入相邻的介质然后进行指数衰减（消失）。具体的波导结构将影响全反射光的穿透深度，通常情况下都等于或者大于波长量级。

微纳光纤质量轻，操作灵活，价格低廉，作为现代信息传递的主要媒介，在光通信领域经常见到它的身影。用微纳光纤来做光镊就可以巧妙避免固定光阱的限制，那么对于光镊的操纵也将更加灵活，可以方便观察和操控的维度也就更多。微纳光纤光镊与微芯片和微流道完美结合，对探头式模块集成化以及光镊小型化的实现非常有利。对于在实际操作中各种浑浊介质中捕获各种微小粒子，微纳光纤光镊可以直接深入样品室内。光辐射场与物体相互作用就能使物体受到光辐射力的作用，通过激光的这种效应就实现了激光捕获，它能实现对微小粒子的捕捉。光镊就是利用光束来实现对微小粒子的非机械式接触捕捉的，更重要的是用光镊捕获物体时捕获区间可以远远大于被捕获对象的尺寸，所以在用光镊捕获微粒的过程中不会轻易地产生损伤同时也不会影响到微粒所在的环境。光镊不仅是方便操纵微小粒子的工具，也是研究静态和动态微粒力学特征的理想工具^[4-7]，这是因为作为力的传感器的光镊可以实时检测微小粒子之间的相互作用力。光镊的说法最初是由Ashkin提出的，传统的光镊使用高数值‌孔径的显微镜物镜来聚焦激光束，它能产生施加在物体上的光力，能够产生用来捕捉和操纵物体的倏逝波场。微纳光纤光镊能产生较强的光学力，那么就可以在比传统光镊更加大的操作空间里对粒子进行捕获和操纵。微纳光纤光镊的移动也更加灵活和方便。常规的光镊在生物粒子操控方面的应用却受到了极大的限制，其主要限制就是常规的光镊仪器体积庞大、操作不便以及价格方面的昂贵。本课题研究的最新发展的微纳光纤光镊就显现出了其优越性，巧妙了解决了以上问题。这种光镊是由光纤出射的光场构成的，这样就能使光学显微镜和光阱的操作分离开来，改善了常规显微镜光镊仪器存在的一系列问题。

随着光镊技术的不断发展，它已经被用于许多领域如微操控及微细加工领域、表面科学和凝聚态物理领域、生命科学领域甚至光子晶体领域，用于医疗诊断等^[3]。光镊有远近场光镊之分，远场光镊包括时间调制光镊、空间调制光镊和全息光镊等等。近场光镊就有微纳光纤光镊，理论计算和实验证明，用远场光镊来捕获微粒时，最小线度是20 nm，但实际上，在操作过程中是受到远场光学衍射效应的限制的，也就是说远场光镊是不适合操纵和捕获纳米微粒的，而近场光镊却可以实现。微纳光纤光镊是一种近场光镊，而且光纤价格低廉。微纳光纤可重复性制备是其实用化的关键^[9]。

1.2 有关微纳光纤研究的国内外现状

早在19世纪80年代，英国科学家Boys和其相关工作人员就开始尝试以矿石为原料在高温熔融的状态下拉制玻璃细丝，并开始在机械性能及用途方面对其进行研究。但是，迫于当时各种技术的限制以及其他条件的原因无法进行深入研究。真正对这些由玻璃光纤拉制而成的微纳光纤的光学及其他方面的研究是在100多年以后^[8]，那时光波导理论已经得到完善并且完整地建立了起来。采用电加热、激光加热和火焰加热的方法熔拉玻璃光纤，这样就能够轻易得到直径小至微米量级的光纤。简单的微纳光纤拉制系统由以下几个主要部分组成：控制器、加热源、光纤夹具和位移台。将一根裸光纤放置在位移台上，两边分别用夹具固定结实，然后用可以移动的加热源对光纤进行熔融处理，同时两个位移台以相同的速度朝两边拉伸光纤就能得到微纳光纤。其中可变参数有火头的扫描速度，火头的扫描长度，位移台的移动速度和位移宽度等。用这种方式来制备微纳光纤，可以实现成品的直径均匀性好、长度比较长、表面光滑度特别高等特性。

我国研究者童利民等在上述研究基础上提出了火焰加热两步拉伸法，以此来使得微纳光纤的直径更小。以微米量级的微纳光纤为原材料，在它的基础上在保持着良好直径均匀度的前提下，通过加热的宝石光纤锥稳定并约束高温拉伸区得到直径小至50 nm的微纳光纤。通过当时已有的办法制备的微纳光纤存在着较高的光学传输损耗，为了解决此问题并同时提高重复性，Brambilla等人改进了制作商用光纤耦合器的加热源，制备了超低损耗的微纳光纤^[8]。

1992年，Timothy A. Birks和Youwei W.Li深入研究熔融拉锥法制备微纳光纤的几何模型^[9]，详细分析并推导了锥形光纤的拉锥过程得出半径分布函数。1999年，Timothy A.Birks等人改变加热源^[10]，采用二氧化碳激光器用作点热源，得到腰区均匀度大于1.2%的光纤。2005年，Andrew Cronin等人^[11]在二氧化碳激光器为加热源的基础上采用衍射原理设定微纳光纤腰区，得到损耗为0.15 dB左右的微纳光纤。2009年，国内研究人员孙伟民等^[12]在前人研究的基础上对光纤拉锥机器进行改进，在一定条件范围内制作出不同形状外貌的锥形光纤。

虽然说在现有研究基础上制备高质量的微纳光纤已经不成问题，但就制作微纳光线的原材料来讲都是采用传统玻璃光纤，这就限制了制作微纳光纤的原材料^[13]。改变微纳光纤的原材料才能增加微纳光纤的种类，不同种类的微纳光纤其特性必不相同，也就能构成不同性能的微纳光子器件。虽然已经有一部分人提出不同种类的原材料并做出了相关实物，但为了制作出更多不同特性的微纳光纤器件，对于微纳光纤原材料的研究还需努力。

1.3主要研究内容及安排

本文的主要内容是熔拉法制备微纳光纤的研究，其中包括所制备出来的微纳光纤的形貌和传输特性即功率损耗。在实验过程中通过改变不同的参数会对这两种特性产生相应的影响。其次本文还简要介绍了有关微纳光纤光镊的内容和应用，对于微纳光纤的工作原理，模式分布和特性也有相应的描述。工作内容主要是以下几个方面：

1. 熔拉法制备微纳光纤的原理。
2. 比较动态火头拉锥法和静态火头拉锥法的不同。
3. 在其他条件不变的情况下‌只改变火头的扫描速度，分析实验结果。
4. 在其他条件不变的情况下只改变火头的扫描长度，分析实验结果。
5. 寻求实验中问题的解决办法。

其中第一章为绪论，对于微纳光纤的研究目的和意义作了简单阐述，说明了微纳光纤在光镊技术中的重要地位并介绍了光镊技术基本原理。然后总结了微纳光纤的发展状况。

第二章为理论部分，首先介绍了微纳光纤光镊，作为微纳光纤光镊的主要原材料，有关微纳光纤的研究就显得极为重要。然后对于光纤中的模式分布做出了说明，接着介绍了微纳光纤表面的隐逝场和锥区模式转换和功率损耗。

第三章是对实验方法的确定以及实验参数的选择，理论上说明了为什么采用动态火头拉锥法而不是静态。更重要的是对动态火头拉锥法的实验系统作了详细说明，其中包括实验仪器的操作方法。对于微纳光纤的形貌和传输特点测量系统也有相关阐述。这些都是为实验操作做准备。

具体的实验内容放在第四章，包括实验前需要做的准备和具体的实验步骤，接着对实验数据进行处理，得到相关表格和图片。最终分析表格和图片总结出相关结论。当然实验中会遇到各种各样的问题，我对每个问题进行分析并寻找解决办法。

最后第五章就是对整个实验进行总结和分析。

第2章 微纳光纤理论研究

2.1 光纤中的传播模式及其分布

简单来说光纤的模式就是光波沿光纤传播时的传播方式和传播途径。单单对通信来说，光纤的传播模式太多不是很符合我们的期望，这是因为如果同一种光信号采用多种模式传播毕竟会使光信号分裂为多个子信号，这些子信号在不同的时间到达接收端导致传输信号产生了畸变干扰。所以在正常的信号传输过程中我们通常力求光纤的传播模式其数量越少越好。

单模光纤实际上是光纤内芯径尺寸特别小（大概3~10 μm）的反射式光线。所以它的传输模式就很少，基本上只能传输一种模式也就是基模。以下就以反射式光纤为例，简单分析光纤截面上模式分布的情况。

如果以Z轴表示光波在光纤内的纵轴传输方向，光纤的横截面用X轴和Y轴构成的平面表示，θ表示圆周角的方向，r代表光纤的径向方向。那么在光波传输方向上没有电场的分量，存在磁场的分量，横截面上有电场（和）分量，这就是我们所说的横电波，简称波。还存在着另一种电场的分布模式，光波传播的横截面上由磁场的（和）的分量，传输方向上在磁场的分量为零，这就是横磁波，简称，表达式中，n表示沿半径分布的电磁场的波节数，m表示在圆周角θ方向电场或磁场分量的波节数。就拿模式来说，m=0表示在θ方向上电场分量没有变化，也就是说θ方向上不会出现光斑；n=1就表示电场在半径方向上的分量存在一个波节点。此外还有模式，这两种模式只是两种特例，叫做圆对称模。其实还有许多更加复杂的模式存在于光线中的电磁场中，他们就是混合模，可以表示为和。电磁场在Z轴方向上的分量的大小决定了不同混合模之间的差别。模式表示纵轴方向上磁场的分量的作用远远大于电场分量，通常用来表示基模，也就是电场只在一个方向上振动。相反，如果纵轴方向占优势的是电场分量就为模。

尽管光纤中的模式分布是多样的，但如果光纤的芯与它的包层之间的折射率相差非常小，根据理论可知在和中传播常数特别接近的模式之间可以互相迭加形成特殊的简并模式。以下讨论哪些参数能够影响光纤中的传播模式。

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