光镊又称单光束梯度力光阱,是用一束高度汇聚的激光形成的三维势阱来实现对微小物体非接触式的捕获和操纵,目前已经在生物、医学、化学等多个微观领域中发挥了重要作用。随着光纤技术的快速发展,光纤器件的引入使得光镊系统捕获的自由度与操控的灵活性得到了大幅度的提升,光纤光镊已经成为了又一探寻微观世界的有力工具。本文研究了一种基于模式复用技术的新型单光纤光镊,使用普通光纤实现对微粒的多种捕获操作,从而达到降低单光纤光镊的制作难度和增强单光纤光镊的操作功能的目的。此种单光纤光镊由一根特殊加工后的标准通信光纤构成,利用光纤中传输的LP01模式光束实现了对微粒的非接触式捕获;通过调节LP01模式与LP11模式光束的光功率比实现捕获微粒在光纤主轴方向的移动;利用LP01模式与LP11模式间的强度干涉调节,实现对微粒的偏转操作;利用光纤中传输的LP11模式光束的剖面光斑调节实现了对微粒的旋转操作。本文就该单光纤光镊功能的实现进行了理论和实验研究,主要工作分为以下几个方面:首先,设计了基于模式复用技术单光纤光镊的整体功能,根据实际应用中对光镊的需求,确定光纤光镊的操作维度,确定整体功能的实现方法,确立光纤光镊模式复用方法的基本思路。又从光纤的模式理论出发了解LP01模式与LP11模式光束的特性,研究了在标准单模光纤中激发高阶模式光束的基本原理,再利用LP01与LP11模式光束的弯曲损耗不同这一特性,控制光纤的弯曲程度来实现在光纤中调节两种模式间的光功率比,建立了光纤低阶模式光束激励及其功率分布控制的新方案,为实现LP01模式的非接触捕获和控制微粒在光纤轴向上移动实验提供了理论依据和实验方法。依据光纤模式间的干涉理论,研究了 LP01与LPl1模式光束干涉特性,通过在光纤轴向上施加应力的方法,拉伸光纤轴向上的长度,改变两个模式间的相位差,使得两种模式干涉后光斑发生明暗变化,进而达到改变光斑出射光场分布来实现对微粒的偏转操作,提出了利用模式复用技术实现光斑旋转的新方法;由于LP1?模式光束两个光斑在平面内具有中心不对称性,通过扭转光纤引入的弹光效应,改变光纤切线方向上的应力分布引起光斑的旋转,实现捕获微粒的旋转操作。其次,设计了一种具有半球形透镜端面的光纤尖,利用电磁场动量守恒定律与时域有限差分(FDTD)相结合的方法分析了 LP01与LP11作用于此光纤尖产生的光阱力特性。LP01模式光束的稳定捕获点距光纤尖10μm,可以实现对微粒的非接触捕获;由于LP11模式光束两个光斑在平面内关于光纤主轴中心不对称,不能简单的利用二维仿真计算得到LP11模式光束的空间光阱力,这里采用了二维切片的方式分割计算后再叠加得到了LP1?模式光束的空间光阱力,LP11模式光束将微粒捕获在光纤尖,通过调节两种模式光功率比改变微粒所受纵向光阱力的大小即可实现在光纤轴向上控制微粒移动;又将光纤出射光场光阱力的计算与光扭矩的计算相结合,计算微粒在LP1?模式光场中偏转或旋转时的受力及扭矩情况,从仿真结果中分析得到当LP11模式光斑的分布情况发生变化时,微粒可以在光场中发生偏转或旋转。最后,搭建了一套实用性的单光纤光镊实验系统。系统中将980nm光纤与标准单模光纤错位焊接实现了 LP1?模式的激发;利用光纤微弯板调节LP01与LP1?模式光束光功率比,实现了LP11模式的非接触捕获和微粒在光纤轴向位置的调节;又利用光纤轴向拉伸装置控制LP01与LP11模式光束干涉,实现了微粒的偏转操作;最后利用光纤旋转装置控制LP11模式光斑的旋转,实现了微粒的旋转操作。至此,我们利用单光纤光镊实现了对捕获微粒的非接触捕获和三维的旋转操作,为模式复用技术在光纤光镊领域的应用奠定了基础。