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基于二进制偏轴菲涅尔Zone Plate的光纤器件设计与光镊应用研究，通过数值模拟和实验验证了该器件的偏轴聚焦特性及波长调谐焦点调控能力，并探索了其在光镊捕获钻石纳米颗粒中的应用潜力。
Jian Yu|Huihong Long|Yuchuan Yang|Siying Li|Zhuang Shen|Xiaoyang Guo|Min Zhou|Zhe Zhang
重庆邮电大学电子科学与工程学院光电信息传感与传输技术重点实验室，中国重庆400065
摘要
在本文中，我们提出了一种基于二元离轴菲涅尔区板（OFZP）的新型光纤器件，该器件集成在光纤端面之上。将一段无芯光纤与单模光纤熔合在一起，随后在无芯光纤的端面蒸发一层金属薄膜，并在镀有金属的端面上加工出二元化的OFZP以实现离轴聚焦。通过数值模拟和实验验证研究了这种光纤器件的离轴聚焦性能。特别是展示了该器件在不同入射激光波长下的焦距可调特性。此外，还从数值模拟的角度探讨了其作为光学镊子对瑞利颗粒的离轴捕获效果。所提出的光纤器件进一步扩展了光纤光镊子的功能，在某些特定场景中具有重要的应用价值。
引言
近年来，相继提出了多种具有不同结构和功能的新光纤器件，并已广泛应用于光学传感、微粒捕获和光纤通信等领域[1]、[2]、[3]。将功能与微结构集成到光纤端面上的方法是获得新型光纤器件的关键途径。衍射光学元件作为一种特殊的图案化微结构，在现代光学中发挥着重要作用，为以前所未有的精度和灵活性操控光提供了强大的工具集[4]、[5]、[6]。将衍射光学元件与光纤结合，为直接设计智能光纤器件提供了一种简单方法，从而实现了诸如光纤镊子[7]、[8]、光纤OAM通信[9]等多种新应用。由于光纤端面的结构尺寸限制，集成在光纤端面上的二元化衍射光学元件比其他类型的衍射器件更容易制造[10]。
作为集成在光纤端面上的衍射光学元件的一个重要应用领域，光纤镊子在近年来取得了显著发展，并在医疗和生物[11]、生命科学[12]以及纳米技术[13]等领域找到了重要应用，这得益于其远程控制和抗干扰能力。Ribeiro等人[14]提出了一种用于2D光学操控和检测8 μm PMMA珠子及酵母细胞的光纤器件，其中分别在模式扩展的光纤上制备了菲涅尔区和相位板。Asa等人[15]提出了一种基于高效反向传播光纤的光学陷阱，其端面装有3D打印的衍射菲涅尔透镜，从而扩大了空间，并能够与其他光谱和分析方法结合使用。Plidchun等人[16]展示了超高数值孔径超导纤维的设计和3D纳米打印技术，实现了衍射极限下的焦斑，记录了高达NA ≈0.9的数值孔径。
在本文中，我们提出了一种基于二元离轴菲涅尔区板（OFZP）的新型光纤器件。这种二元OFZP具有离轴聚焦特性，其主焦点可以远离0阶衍射[17]、[18]、[19]。此外，由于其优异的色散能力，可以根据入射波长调整焦点位置。结合光纤的独特结构特性和模式场属性，我们成功设计并制造了适用于光学镊子的集成在光纤端面上的二元OFZP。通过数值模拟和实验研究了该光纤器件在不同入射波长条件下的输出聚焦特性。此外，还通过数值模拟探讨了其作为光学镊子对瑞利颗粒的离轴捕获效果。
结构设计与制备
结构设计与制备
图1(a)展示了所提出的光纤器件的设计原理示意图。首先，由于单模光纤的模式场直径相对较小，将一段无芯光纤（CLF）与单模光纤（SMF）熔合以扩展输出模式场。然后，在复合光纤的端面蒸发一层金属薄膜。最后，在金属薄膜上制备OFZP以调节输出光场。
离轴聚焦特性
图4展示了所制备光纤器件输出光场的显微检测系统。将功率可调的980 nm光纤激光器的输出尾纤与制备好的光纤器件样品熔合在一起。样品安装在一个光纤支架上，然后固定在一维平移台上。输出光场的强度分布通过显微物镜成像到红外电荷耦合器件（IRCCD）上。
辐射力的仿真分析
为了研究这种新型光纤器件的瑞利颗粒捕获特性，本文对水中稀释的金刚石纳米颗粒在不同入射激光波长下的辐射力进行了数值模拟和分析。选择金刚石微粒作为示例的主要原因是其生物惰性和宽禁带特性，在细胞生物学等领域的研究中具有重要的应用价值。
结论
总结来说，本文提出了一种新型光纤器件，并通过仿真和实验研究了其离轴聚焦特性。该器件在结构设计上具有高度的自由度，并且基于入射激光波长的调节，在颗粒捕获和操控方面表现出优异的灵活性。我们的研究工作极大地扩展了光纤光镊子的功能，具有重要的应用价值。
作者贡献声明
Jian Yu：撰写——初稿、软件开发、方法论设计、数据分析、概念构建。Huihong Long：撰写——初稿、软件开发、数据管理。Yuchuan Yang：数据可视化、项目监督、实验研究。Siying Li：数据可视化、项目监督。Zhuang Shen：项目监督。Xiaoyang Guo：项目监督。Min Zhou：资源管理、实验研究。Zhe Zhang：撰写——审稿与编辑、结果验证、项目监督、软件开发、资源协调、资金筹集、概念构建。
资助
国家自然科学基金（62105049和62305232）；重庆市自然科学基金（cstc2021jcyj-msxmX1119）；重庆市教委科研项目（KJQN202100618）；重庆市博士后研究基金（D63012022051）；重庆邮电大学博士培养项目（E011A2022310）；广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515010054）；其他自然科学基金
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢重庆大学的Lin Shengzhao博士提供的有益讨论和建议。
