微结构光纤作为一种新型特种光纤,其拥有许多独特特性,不光在光通讯领域延续着传统光纤的道路,在光纤传感领域也开始得到广泛应用。近来,光动力研究逐渐兴起,它主要探讨物质在复杂光环境下的力学动态特性,进而延伸至实际应用领域,例如生命科学、集成光学等应用领域。基于延展微结构光纤应用范围,发展新型光纤传感器件的实际应用需求,开展基于微结构光纤的光动力技术研究显得尤为重要。本文从光波导内部或外部光场变换角度出发提出了三类微结构光纤器件。这三类光纤器件通过改变光纤外部形状或内部结构,对入射光进行光强相位调制,从而生成特殊光场,而这些特殊光场主要用于信号传输或对微小物体进行微操控。本文主要完成的工作有:1.开展基于四芯光纤光镊探针的微粒光动力研究。(1)首次提出了具有横向双光镊和轴向双光镊的两种四芯光纤光镊探针,对光纤制备、光源注入、纤芯光束路径改变等内容进行了较系统的研究。该光镊探针是通过微加工技术使光纤端头形状发生改变,从而使纤芯光束出射路径发生改变,并最终形成两个不同位置的光势阱捕获点。(2)通过光束传输法,角谱等理论仿真了不同光纤形状的外部光束组合光场。(3)基于几何光束追迹模型计算微粒在组合光场中的受力情况,并通过朗之万运动方程计算了微粒在液体介质中的运动特点以及基于双光镊探针的横向振荡、轴向推拉特性,其中主要包括微粒周期驱动频率调制、幅度调制变化特性。结果表明基于四芯光纤光镊探针的微粒周期驱动本质是一个低频运动过程,在保证可用幅度情况下,频率不会高于100Hz。2.开展特种艾里光纤研究以及相关微粒力学特性研究。(1)基于耦合模理论探讨了艾里光纤内部高斯场与艾里场的周期转换机制。(2)首次提出具有自定义对称艾里函数分布的多芯对称艾里光纤,并基于光束传输法计算了该光纤的出射场,探讨了出射场对波长的响应特性。结果表明其出射场的中央主瓣会分裂成多个离轴主瓣,整个光束仍具有自由加速特性以及自愈特性,而无衍射特性较弱。而波长调制会造成光束自由加速性变化从而造成主瓣落点不同。(3)首次提出了具有环形艾里函数分布的对称环形芯艾里光纤,并计算了出射场对波长的响应特性,还仿真计算了微米尺度的粒子在对称环形芯艾里光纤出射场下的力学特性。结果表明该艾里光纤具有对称环形艾里场,可在长距离范围内保持无衍射传输,自由加速特性则会形成自聚焦点,可用于微加工或微粒捕获。微粒在出射场作用下还可进行输运。3.开展了表面等离子激元光纤研究以及相关微粒力学特性研究。(1)首次提出了基于金纳米管和金纳米线的表面等离子激元光纤。(2)基于有限元法计算了基于金纳米管和金纳米线的表面等离子激元光纤具有的模式数。结果表明在金纳米结构整体尺寸微小时,光纤一般只具有两个纤芯传输模式,分别为短程模和长程模。但色散特性分析表明,当管壁足够小时金纳米管结构光纤模式数会增多。(3)重点对长程模的传输损耗特性和模场宽度进行了分析,结果表明该结构光纤的长程模传输距离在极端情况可传输三十毫米,而模场宽度与传输距离并不呈简单的反比关系。壁厚d的大小对传输距离和模式宽度都具有调制作用。(4)仿真分析了纳米微粒在表面等离子激元光纤端面处的受力情况,结果表明纳米粒子会受到较大捕获力作用,会把纳米微粒拉向金纳米结构,且最终弹射脱离。不同微粒所受力会有差异,在微流场配合下可以实现微粒分选等用途。综上所述,本论文展开的新型微结构光纤(或光纤外形结构)研究扩展了微结构光纤的应用领域。由于微结构光纤可集成度高、成本低廉等优点,使得其极具应用潜力。而基于光纤的微粒光动力研究,则是通过新型光纤出射场对外部微小微粒进行操控或信息传感,对生命科学,光纤传感等实际应用领域发展都具有十分重要的意义。