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微纳光纤端面的光力密度分布研究

微纳光纤端面的光力密度分布研究

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作者：张运原华南理工大学

学位级别：硕士

光力效应在光镊技术、光机械系统以及集成光波导中得到了广泛的研宄和应用。特别地,微纳光纤因其独特的光学导波特性(低光学损耗、强倏逝场、强光场约束)和质量小可自由移动的一维结构成为了研宄光力作用的理想平台。自从微纳光纤光力... 详细信息

光力效应在光镊技术、光机械系统以及集成光波导中得到了广泛的研宄和应用。特别地,微纳光纤因其独特的光学导波特性(低光学损耗、强倏逝场、强光场约束)和质量小可自由移动的一维结构成为了研宄光力作用的理想平台。自从微纳光纤光力效应的应用以及动量交换的实验结果被发表以来,微纳光纤的光力作用受到了广泛的关注。对微纳光纤的近场受力以及运动趋势的深刻理解,将有利于进一步开发微纳光纤光力器件。由于微纳光纤内部具体的横轴向光力密度分布仍然未知,为了更直观、深入地了解微纳光纤内部的光力密度分布以及其形变趋势,同时克服解析方法的不适用性,本文通过运用三维有限时域差分法求解麦克斯韦方程组,运用Einstein-Laub公式计算光力密度,得到了在x偏振和y偏振的基模作用下,具有垂直端面与倾斜端面的微纳光纤内部光力密度分布情况,并通过分析得到如下结论:1、在H E ii基模作用下,具有垂直端面的微纳光纤内部的横向力为挤压力,边缘的为拉伸力。但由于横截面的轴对称性,横向光力的合力为零;内部光力密度沿着光纤轴向表现为明显的周期性分布,其中z方向光力密度/z的方向沿正z轴或负z轴交替振荡,端面附近振荡幅值最大,总合力表现为沿正z轴的拉力。2、在H E ii基模作用下,具有倾斜2 0度端面的微纳光纤由于沿着x方向失去横截面的轴对称性,光纤尾端受到沿着正x方向的横向光力作用;在x偏振的基模作用下,光力密度沿着轴向没有明显周期性分布,光纤内部的横向力密度分布表现为挤压力,轴向力在倾斜部分主要表现为沿着负z轴方向的推力。而在y偏振的基模作用下,光力密度在端面附近存在明显的平行于倾斜端面的周期性分布,同时产生比x偏振更大的沿着x方向的横向力。本文揭示了微纳光纤的横向偏移是由于横向光力和轴向光力协同作用的结果,帮助我们深刻地理解倾斜端面微纳光纤的受力原因。我们的结果将有助于分析微纳光纤以及其他复杂结构中的光力分布,并预测其光力作用后的形变趋势;也将对改进和优化基于微纳光纤光力效应作用的光子器件工作性能具有重要参考意义。

关键词：微纳光纤有限时域差分法光力密度分布

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