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Force analysis of optical fiber tweezers with different endface configurations

光学镊子 光学力 光纤 微结构光纤 制作 光子晶体光纤 材料科学 保偏光纤 光电子学 光纤传感器 光学 物理 医学 病理 替代医学
作者
Yunhai Gao,Yanli Ran,Xianyou Wang,Changjun Min,Yuquan Zhang
标识
DOI:10.1117/12.3023639
摘要

The optical tweezers (OT) use optical force to trap micro/nano particles. This technology has widely been employed in manipulating cells, viruses and atoms, etc. Optical fiber tweezers (OFT), as a novel type of OTs, possess excellent characteristics of easy fabrication, strong anti-interference ability, high compatibility with chip devices, and flexible operation with a compact structure. Usually, the OFT probes are tapered, but they have a low optical trap strength, which makes it difficult to capture smaller particles (sub-micron size). In this study, we demonstrate theoretical analyses of the fields and optical forces with different fiber structures, including the tapered, spherical, hemispherical, zone plate, and gold-overlapped endface. Numerical simulations are carried out to investigate the magnitude and direction of the optical force exerted on microparticles in water. The results reveal that the shape of the fiber endface structure significantly alters the distribution of the optical field. The hemispherical and tapered endface have a similar ability to trap microparticles. The spherical and zone plate endface is better than the two endface mentioned above. Meanwhile, the use of gold-overlapped fiber tips can strongly constrain the dielectric microparticles on the endface, achieving effective two-dimensional trapping. This research offers theoretical guidance for designing and optimizing fiber endface structures for efficient optical micro-manipulations.

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