光束的产生。
[0037] 如图1所示，一种新型自加速类贝塞尔光束产生装置，包括接收光纤1、场型变换 光纤2、相位调制光纤3 ;光源发出的光通过接收光纤1传输进入场型变换光纤2,场型变换 光纤2将接收光纤1中传输的光场转换为非对称的高阶类贝塞尔光束，高阶类贝塞尔光束 通过相位调制光纤3后得到自加速类贝塞尔光束，从而可对处于其中的微粒实现捕获和沿 弯曲的轨道进行输运等操作。
[0038] 一种新型自加速类贝塞尔光束产生装置，所述的接收光纤1 一般为双芯或轴对称 的多芯光纤，能够构成空间自聚焦光束，特别是如果使用环形芯光纤，则能够构成中空的 "瓶子"状光束，图2为图1中AA<、BB'和CC'平面对应的剖面图，其中图2(a)为双芯光 纤剖面图，图2(b)为环形芯光纤剖面图，均对应于AA'平面，即接收光纤既可以是双芯光 纤也可以是环形芯光纤；图2(c)为毛细管光纤剖面图，对应于BB'平面；图2(d)为梯度折 射率光纤剖面图，对应于CC'平面。。
[0039] 一种新型自加速类贝塞尔光束产生装置，所述的场型变换光纤2中产生的类贝塞 尔光束，具备了一定的无衍射性，但其传播方向仍然是直线，为使其传播轨迹具有横向自加 速特性，需要对其相位进行非线性调制。
[0040] 一种新型自加速类贝塞尔光束产生装置，所述的相位调制光纤3能够实现光束空 间自聚焦，但相比于构成三维光镊的光束聚焦角度要求，这种自聚焦作用有可能达不到需 要的角度。因此，改变自加速类贝塞尔光束的出射方向，在应用中具有实际意义。我们可以 将相位调制光纤3的光纤纤端加工成圆锥台结构，从而进一步加强光束空间自聚焦。
[0041] 之上所述的新型自加速类贝塞尔光束产生装置的接收光纤一端与光源相连，光源 发出的光经过新型自加速类贝塞尔光束产生装置后即产生自加速类贝塞尔光束。与贝塞尔 光束不同，具有横向自加速的类贝塞尔光束将粒子沿着弯曲的、自愈的轨道进行输运，这种 操控机制有望将特定粒子绕过障碍物输运到目标位置。
[0042] 本发明基于如下原理：
[0043] 在数学上，无芯光纤或者多模光纤的零阶径向模式（LPJ可以用贝塞尔函数来表 示，因此高阶的UV模式就可以看成是截短的贝塞尔光束。当环形芯光纤与毛细管光纤同 轴熔接时，环形芯光纤中的模式被耦合到毛细管光纤内，在毛细管光纤中激励起liVO!是 径向标示），该模式由贝塞尔函数来表示，其中横向波矢
I k = 231/入，％为毛细管光纤折射率，e 模的传播常数，r是径向坐标。由于每个LPQn 模式沿着波导独立地传播并拥有各自的传播常数，因此在毛细管光纤的输出端面为类贝塞 尔光束的叠加。
[0045] 其中L是毛细管光纤段的长度，N是在毛细管光纤段的激发模式的数量，Cn是解系 数：
[0047] 其中Ein(r，0 )为毛细管光纤端面的入射光场。
[0048] 基于以上理论分析，我们用一段环形芯光纤与一段中空毛细管光纤对接，环形芯 光纤包层折射率1. 4446,纤芯折射率为1. 4517,芯层厚度5,芯层中心线40 ym，光纤外径 125 y m，长度1mm ;毛细管光纤折射率1. 4446,外径125 y m，内径20 y m。仿真中设置的光波 波长为532nm。实验装置如图4所示，计算结果如图5所示。
[0049] 从图中可以看出，环形芯光纤入射的光场在毛细管光纤中激励起的是轴对称的环 形高阶贝塞尔模式，能量集中的光场主环位于整体环形场的内侧或者外侧。以上仿真结果 表明，利用光纤产生贝塞尔光场具有可行性。
[0050] 在光纤中产生的类贝塞尔光束，具备了一定的无衍射特性，但其传播方向仍然是 直线，为使其传播轨迹具有横向自加速特性，需要对其相位进行非线性调制。我们在毛细 管光纤另一端再增加一段相位调制光纤，计算结果如图6所示。从图中可以看出环形芯光 纤一中空毛细管光纤一相位调制光纤生成中空的"瓶子"状光束。
[0051] 实施案例：新型自加速类贝塞尔光束产生装置的制作。步骤如下：
[0052] 1、首先取一段环形芯光纤，其包层折射率为1. 4446,纤芯折射率为1. 4517,芯层 厚度为5um，芯层中心线半径42. 5um，光纤外径125um〇
[0053] 2、将环形芯光纤一端用光纤剥线钳剥除光纤涂覆层，用酒精将光纤包层清洗干 净。用光纤切割刀将光纤端面切平后放入光纤焊接机。
[0054] 3、取一段毛细管光纤，其光纤折射率为1. 4446,外径125um，内经50um。将其一端 经过涂覆层剥除、清洗、切割后放入光纤焊接机，与环形芯光纤进行对接。
[0055] 4、取一段梯度折射率光纤，其直径为220um长度为200um其折射率分布如图3所 示。将其一端经过涂覆层剥除、清洗、切割后放入光纤焊接机，将毛细管光纤未与环形芯光 纤连接的一端经过涂覆层剥除、清洗、切割留下长约1mm的光纤放入光纤焊接机，与梯度折 射率光纤进行对接。
[0056] 5、将环形芯光纤未对接的一段经过涂覆层剥除、清洗、切割后留下长约1mm的光 纤即完成新型自加速类贝塞尔光束产生装置的制作。
【主权项】
1. 一种自加速类贝塞尔光束的产生装置，其特征在于：包括光源、接收光纤、场型变换 光纤和相位调制光纤，光源发出的光通过接收光纤进行接收，场型变换光纤将接收光纤传 输的光场转换为高阶类贝塞尔光束，相位调制光纤对高阶类贝塞尔光束进行相位调整，得 到自加速类贝塞尔光束。2. 根据权利要求1所述的一种自加速类贝塞尔光束的产生装置，其特征在于：所述的 接收光纤为双芯光纤、多芯光纤或者环形芯光纤中的一种。3. 根据权利要求1所述的一种自加速类贝塞尔光束的产生装置，其特征在于：所述的 场型变换光纤为大芯径阶跃折射率分布的多模光纤或者是中空毛细管光纤。4. 根据权利要求1所述的一种自加速类贝塞尔光束的产生装置，其特征在于：所述的 纤维调制光纤为梯度折射率光纤。5. 根据权利要求1所述的一种自加速类贝塞尔光束的产生装置，其特征在于：所述的 接收光纤为环形芯光纤，所述的场型变换光纤为中空毛细管光纤，则中空毛细管光纤输出 的高阶类贝塞尔光束为：其中JQ(kz，fnr)是贝塞尔函数，L是毛细管光纤段的长度，N是在毛细管光纤段的激发模 式的数量，kz，fn为横向波矢，r是径向坐标，β fn是LP %模的传播常数，Cn是解系数：其中Ein(r，Θ)为毛细管光纤端面的入射光场。6. 根据权利要求5所述的一种自加速类贝塞尔光束的产生装置，其特征在于：所述的 环形芯光纤，其包层折射率为1. 4446,纤芯折射率为1. 4517,芯层厚度为5um，芯层中心线 半径42. 5um，光纤外径125um ; 所述的中空毛细管光纤，其光纤折射率为1. 4446,外径125um，内经50um ; 所述的纤维调制光纤为梯度折射率光纤，其直径为220um，长度为200um。
【专利摘要】本发明公开了一种自加速类贝塞尔光束的产生装置，包括光源、接收光纤、场型变换光纤和相位调制光纤，光源发出的光通过接收光纤进行接收，场型变换光纤将接收光纤传输的光场转换为高阶类贝塞尔光束，相位调制光纤对高阶类贝塞尔光束进行相位调整，得到自加速类贝塞尔光束。本发明涉及的新型自加速类贝塞尔光束具有横向加速度特性，因而能够对处于其中的微粒实现捕获和沿弯曲的轨道进行输运等操作，这种操控机制有望将特定粒子绕过障碍物输运到目标位置，可在生物、化学和医疗领域具有很好的应用前景。
【IPC分类】G02B27/09
【公开号】CN104898287
【申请号】CN201510312641
【发明人】刘志海, 刘春兰, 张羽, 张亚勋, 赵恩铭, 苑立波
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月9日