微纤维上微小物体平面旋转的光诱导( 三 )
带340 nm厚SOI波导的PBS 。
简而言之 ， 所涉及的物理是一个三步光热弹性过程 。 首先 ， 当入射激光脉冲在超细纤维中传播时 ， 其电场会泄漏出来并被极板吸收 。 第二 ， 吸收的光功率转化为热量 ， 从而导致板的温度升高 。 最后 ， 温度升高会引起相干晶格振荡 ， 即弹性波 ， 它在板中来回反弹并与摩擦力相互作用 ， 导致板的运动 。
4.1光热处理
弹性波的产生取决于系统的光热转换效率（见图6A-i、ii） 。 为了检验这一过程 ， 我们对放置在微纤维上的方形金板进行了数值研究 ， 其几何参数与图1中的相同 。 板和超细纤维之间的相对位置设置为平面旋转前的初始位置 。 将超细纤维的两种基本模式HE11Vertical和HE11Horizontal视为入射波 。 HE11Vertical和HE11Horizontal模式的强度分布接近高斯光束 ， 因此它们比其他高阶模式更有效地被激光束耦合 。 图5A绘制了模拟吸收光谱 。 结果表明 ， HE11Vertical模式的吸收效率明显高于HE11Horizontal模式 。 值得注意的是 ， 前者在700 nm波长处表现出接近60%的峰值吸收率 。
图5 镀金板和微纤维耦合系统的光热模拟 。
图5B绘制了HE11Vertical模式在吸收峰700 nm处入射时吸收光功率的强度分布图 。 结果表明 ， 吸收的光功率强烈地局部化在板和超细纤维之间的接触线周围的线状亚波长区域（用白色虚线标记） ， 并且极不均匀 。 在HE11Vertical模式的相同入射下移动到其他波长 ， 吸收光功率的强度分布会相应变化 。 然而 ， 它们在强局部化和非均匀性方面表现出相同的一般特征 。
图5C绘制了吸收光功率中心的温度变化曲线 。 在入射激光脉冲期间 ， 温度迅速上升 ， 然后经历相当缓慢的冷却 。 此外 ， 我们观察到 ， 温度分布非常类似于吸收光功率的类似不均匀性 ， 尤其是在热扩散/冷却充分进行之前的较早时间 。
4.2热弹性过程
4.2.1弹性波图
极板温度升高并激发接触线周围的弹性波 ， 吸收的光功率在此处局部化 。 根据弹性波向板的长翼（LW）和短翼（SW）两侧的初始传播方向 ， 弹性波分别分为LW波和SW波（见图6A iii） 。 LW和SW波分别在朝向LW和SW侧的方向上携带弹性位移 。 因此 ， 当LW和SW波通过接触线时 ， 它们会持续驱动板沿相反方向滑动（即分别朝向LW和SW侧） 。 这个过程一直持续到弹性波最终衰减为止 。
图6 提出了硅微纤维上金片光诱导平面内旋转的机理 。
上面的弹性波图片指出了板块两翼不对称的重要性 ， 这导致了LW波和SW波之间的竞争 ， 并相应地驱动板块沿方位向SW侧移动 。 这很好地解释了我们的观察结果 ， 即在平面内旋转期间 ， 平均运动方向始终指向西南侧 ， 并且两翼之间的面积差逐渐减小 ， 如图1和图4所示 。
我们认为 ， 吸收光功率沿接触线的梯度（非均匀）分布是导致观察到的面内旋转非均匀位移的另一个因素 。 沿接触线的运动位移梯度分布表明 ， 激发弹性波的振幅遵循类似的分布 。 此外 ， 如前所述 ， 由于板中的光吸收导致温度升高 ， 因此激发弹性波 。 直观地说 ， 吸收越高 ， 激发弹性波的振幅越大 。 根据这些直觉 ， 可以很自然地推断 ， 沿接触线吸收光功率的梯度（非均匀）分布可能会导致平面内旋转的梯度位移 。
鉴于上述原因 ， 我们总结了我们对平面内旋转的解释：平板两翼的不对称性和吸收光功率沿接触线的梯度分布是平面内旋转所需的两个因素 。 更准确地说 ， 第一个因素导致板块向西南侧的净运动 ， 即减少两翼之间的面积差 ， 而第二个因素则导致梯度分布（不均匀）运动位移 。
4.2.2数值验证
图6B显示了由单个激光脉冲驱动的板的弹性位移的模拟结果 ， 同时考虑了两翼的不对称性和沿接触线吸收光功率的梯度分布 。 图6B的左面板对比了接触线上两个端点在微纤维方位方向上弹性位移的时间演变 。
图6B、C之间的直接对比验证了沿接触线吸收光功率的梯度分布导致平面内旋转的梯度弹性位移 。 此外 ， 这些结果还表明 ， 由于板翅的不对称性 ， 平均运动方向（在两种情况下）都朝向西南侧 。 因此 ， 我们在数值上证实 ， 当两个基本因素（即板的两翼不对称性和吸收光功率的梯度分布）同时存在时 ， 可以实现面内旋转 。
5备注
5.1旋转中心和吸收光功率剖面
理论分析表明 ， 旋转中心位于接触线上光吸收最小的位置 。 在实验上 ， 我们观察到旋转中心位于接触线的两个端点之一 ， 并且与激光入射方向无关（见图3） 。 我们认为 ， 这种现象是由于微孔板的表面曲率造成的 。 在将板转移到超细纤维上的过程中 ， 板很容易弯曲 。 考虑到板的曲面 ， 由于与超细纤维的距离较近 ， 吸收的光功率主要堆积在接触线的平坦侧 ， 而弯曲侧吸收较少 。 因此 ， 吸收最小点对应于接触线上距离超细纤维最大的位置 。 发现其位于板边缘周围 。
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