掺杂PCF获取平顶空心光束及光镊测力优化研究

• 作 者: 姚文颖
• 出 处: 燕山大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 平顶空心光束 光子晶体光纤 掺杂 光镊测力 支持向量机

光镊的产生,为捕获、操纵微小粒子及测量微小粒子间的力学性质提供了有利的技术支持。但传统的光镊有一些不足之处:它只能束缚折射率较大的粒子,而对于折射率较小的粒子的捕获效率则较低。然而空心光束的出现解决和避免了光镊技术在应用中出现的这些问题。空心光束有诸多优点如传播不变性、强度呈圆筒形分布、无加热效应、无衍射效应以及携带有轨道角动量等。光子晶体光纤产生空心光束的方法及原理简单、操作方便、易于设计而受到广泛关注和研究。随着光镊技术的发展,光镊已经从捕获和操纵微小粒子发展为测量微小力学参数的研究工具,即作为微小力的传感器,是微粒、细胞之间力学特性的理想研究手段。光镊测力的力学特性曲线具有强非线性,同时由于测量设备和测试环境因素的影响,测量数组中会还有大量的实验噪声,那么如何有效去除噪声影响,提高光镊测力的精度和范围成了研究重点。本文所研究的主要内容如下:首先,论文阐述了空心光束的基本理论,介绍了空心光束的分类、性质及产生方法并详细阐述了光子晶体光纤法产生空心光束的原理,还介绍了光镊测力的原理及支持向量机的理论及应用。其次,设计了一种具有六阶旋转对称性的多芯硅基PCF,并在纤芯中引入一个掺杂二氧化锗(Ge O2)的高折射率部分来获得平顶空心光束。利用有限元法和完美匹配层将时谐麦克斯韦方程组转换为矩阵方程进行数值计算。通过调节掺杂比例、PCF包层空气孔结构等参数,探讨了其对平顶空心光束暗斑尺寸(DSS)、光束宽度(Wr)、光强分布的影响,并对此PCF的限制损耗也进行了讨论。最后,基于支持向量机对光镊测力进行优化研究,提出采用支持向量机回归来拟合光阱力与粒子偏离光阱中心的位移之间的关系,支持向量机具有很好的泛化能力,并且学习效率高,主要通过数据分组,合理的选择训练数据和测试数据,对支持向量机参数进行优化,从而有效的降低噪声因素对实验的影响,最终得到拟合光镊力的变化规律,提高测定精度、测量范围和可行度。