CN101236275A - 基于环形多芯光纤的光镊 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于环形多芯光纤的光镊。包括具有环形多芯结构的光纤和耦合连接于环形多芯光纤尾端的单芯光纤，该单芯光纤与光源连接，具有环形多芯结构的光纤的前端通过对光纤端的研磨加工制做成锥体或锥体圆台形状或加热施行熔融拉锥后在尖端进行切割制做成渐变锥体圆台形状。本发明的主要优点是其三维捕获力大，因而，对于同样尺寸的微小粒子，不需要很大功率的光源即可实现三维操纵。不仅极大的减少了由光源导致光镊尖端温度上升对活体微生命的影响，而且减弱了局部热对流对捕获到的微小粒子的扰动。降低了系统的造价，提高了系统的稳定性。

Description

基于环形多芯光纤的光镊

(一)技术领域

本发明涉及的是一种光镊，特别是一种基于环形多芯光纤制作的光纤光镊。

(二)背景技术

光镊是指利用光强度分布的梯度力和光散射力俘获和操纵微小粒子的工具。自从1986年Askin(A.Ashkin，J.M.Dziedzic，J.E.Bjorkholm，and S.Chu，Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectricparticles，Opt.Lett.11，288-290，1986)把单束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱，实现了对粒子的三维空间控制后，光镊技术迅速地发展成为重要的研究技术手段，并促进了若干交叉领域的快速发展。例如：在微小粒子的捕获和搬运、皮牛级力的测量、微机械与微器件的组装等领域得到广泛的应用。特别在生命科学领域，光镊技术以其非接触式、无损探测的本质特性显示了其无与伦比的优势，对于推动生命科学的发展和微生命体的操纵发挥了巨大的作用。光镊俘获的粒子尺度可以从几纳米到几十微米，可以为刚性颗粒，也可以是软物质颗粒；可以为无生命的颗粒，也可以是活体细胞或病毒。

传统光镊通常是基于光学显微镜系统构建的，它通过显微物镜将激光束聚焦，利用聚焦中心附近的梯度力场形成光阱，对微小粒子进行捕获和操纵。传统光镊技术成熟，但其结构复杂且缺乏柔性，体积庞大，价格昂贵，并且光阱移动系统复杂，操作技能要求高。为此，发展了光纤光镊技术(A.Constable，J.Kim，J.Mervis，F.Zarinetchi，and M.Prentiss，Demonstration of afiber-optical light-force trap，Opt.Lett.18，1867-1869，1993)。光纤光镊结构简单，可以制成微型探针形式，光阱及其操纵与光学显微系统分离，因此光阱操纵灵活，系统自由度大。现有在先技术中存在几种技术较为先进的光纤光镊技术，如：将两根单模光纤的端面研磨成锥体，在锥体尖端形成一个半球面，使得出射光束具有弱聚焦特性，将这两根光纤成一定光轴夹角放置，交叠光场形成的光阱可以实现微粒的捕获和悬浮(E.R.Lyons and G.J.Sonek，Confinement and bistability in a tapered hemispherically lensed opticalfiber trap，Appl.Phys.Lett.66，1584-1586，1995)；公开号为CN 1963583A的发明专利将一段光纤的一端熔拉制成具有抛物线形微结构的光纤针。将激光耦合到光纤的另一端中，激光从光纤针出射后在光纤针前端形成的小于1微米腰斑直径的汇聚光场，能够形成稳定的三维光势阱，从而实现单光纤光镊(抛物线形微结构单光纤光镊的熔拉制作方法，中国专利，公开号CN 1963583A；Zhihai Liu，Chengkai Guo，Jun Yang，and Libo Yuan，Tapered fiber optical tweezers formicroscopic particle trapping：fabrication and application，OpticsExpress，14(25)，12510-12516，2006)。

尽管上述由光纤构成光镊的在先技术具有一定的优点，但仍然存在一些不足。例如，粒子在单光束强聚焦所形成的光场中所形成的捕获力较小，如果为了增大捕获力，就要增大光功率，而较高的光功率密度将导致光纤光镊附近的局部液体温度升高，不利于活体微生命的研究。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种在环形多芯光纤的基础上，通过对光纤端的研磨加工或拉锥，利用外部折射、内部反射与外部折射联合作用以及环锥波导引导等多种方式，形成环形锥体交叉光场，进而在环形交叉锥体的交汇顶点处，形成一个三维光学梯度力势阱，可实现微小粒子的三维捕获的基于环形多芯光纤的光镊。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的基于环形多芯光纤的光镊包括具有环形多芯结构的光纤和耦合连接于环形多芯光纤尾端的单芯光纤，该单芯光纤与光源连接，具有环形多芯结构的光纤的前端通过对光纤端的研磨加工制做成锥体或锥体圆台形状或加热施行熔融拉锥后在尖端进行切割制做成渐变锥体圆台形状。

本发明的基于环形多芯光纤的光镊还可以包括：

1、具有环形多芯结构的光纤的前端通过对光纤端的研磨加工制做成锥体，所述的锥体是圆锥形，半锥角α控制在π/2-arcsin(n_liquid/n_core)＜α＜π/2的范围内，每个光纤芯中传输的光经过锥体表面折射后在光纤锥体前端形成环形的交叉光锥组合光场。

2、具有环形多芯结构的光纤的前端通过对光纤端的研磨加工制做成锥体圆台形状，所述的圆台形，半锥角α控制在0＜α＜π/2-arcsin(n_liquid/n_core)的范围内，每个光纤芯中传输的光经过锥体表面后，经由锥体内部反射后再从锥体圆台小端折射出光纤，在锥体圆台光纤前端形成环形的交叉光锥组合光场。

3、加热施行熔融拉锥后在尖端烧结处进行切割制做成渐变锥体圆台形状，通过拉制而形成的锥体圆台环形芯的导引后，出射的多芯光能够汇聚形成环形的交叉光锥组合光场。

4、在具有环形多芯结构的光纤与单芯光纤的耦合区外套装有石英毛细套管，毛细套管两端封闭。毛细套管两端与光纤接触处是采用对石英进行局部加热熔融实现封闭的。

5、所述的具有环形多芯结构的光纤是由环形排列的多根纤芯构成的，其中光纤中的多个光纤芯是分布在以光纤轴心为中心的圆环上，其排列方式为密集排列。

6、所述的具有环形多芯结构的光纤是是由环形排列的多根纤芯构成的，其中光纤中的多个光纤芯是分布在以光纤轴心为中心的圆环上，其排列方式为稀疏排列。

本发明针对现有技术的不足和缺陷，公开了一种基于环形多芯光纤的光镊。这种光纤光镊是在环形多芯光纤的基础上，通过对光纤端的研磨加工或拉锥，利用外部折射、内部反射与外部折射联合作用以及环锥波导引导等多种方式，可形成环形锥体交叉光场。进而在环形交叉锥体的交汇顶点处，形成一个三维光学梯度力势阱，可实现微小粒子的三维捕获。其主要特征在于：(1)光纤结构特征：这种光纤是由环形排列的多根纤芯构成的，其中光纤中的多个光纤芯是分布在以光纤轴心为中心的圆环上通过密集排列或稀疏排列而成的；(2)加工方法特征：该环形芯光纤光镊是将环形多芯光纤端通过精密研磨的加工方法加工成圆锥体实现的；或通过拉锥的方法，将光纤拉制成双锥体后在适当的部位进行切割而实现的；(3)形状功能特征：在环形芯光纤端，通过研磨可形成圆锥体，因而每个光纤芯中传输的光经过锥体的外部形状的折射或者内部反射与外部折射联合作用后，多芯光纤各个芯出射的光场在外部形成环形的交叉光锥组合光场；通过拉制而形成的锥体环形芯光纤端的功能是通过渐变光纤芯的导引后，出射的多芯光能够汇聚形成环形的交叉光锥组合光场。不论是由研磨形成的还是由拉制形成的光纤锥体都能够形成一个稳定的三维交叉锥形光场所构成的光势阱，利用该势阱能够实现微小粒子在三维空间内的捕获、移动等操作。

这种光纤光镊的主要优点是其三维捕获力大，因而，对于同样尺寸的微小粒子，不需要很大功率的光源即可实现三维操纵。该技术不仅极大的减少了由光源导致光镊尖端温度上升对活体微生命的影响，而且减弱了局部热对流对捕获到的微小粒子扰动。降低了系统的造价，提高了系统的稳定性。

(四)附图说明

图1是一种具有环形多芯结构的光纤横断面图片；

图2是本发明的第一种实施方式的结构示意图；

图3是本发明的第二种实施方式的结构示意图；

图4是本发明的第三种实施方式的结构示意图；

图5-a和图5-b是具有环形多芯结构的光纤与标准单模光纤的光耦合连接示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图2，本发明的第一种实施方式括光纤，所述的光纤包括具有环形多芯结构的光纤和耦合连接于三芯光纤尾端的单芯光纤，具有环形多芯结构的光纤的前端通过对光纤端的研磨加工的方法制做成锥体。所述的锥体是通过对光纤端的研磨加工形成的，圆锥形半锥角α控制在π/2-arcsin(n_liquid/n_core)＜α＜π/2的范围内。其具体实施过程如下：

步骤1，锥体研磨：取一段如图1所示的环形多芯光纤，其中1为具有环形多芯结构的光纤；2为处于环形分布状态的光纤芯。借助于裸光纤端研磨系统，将其一端研磨成圆锥体形状，为了保证出射光经过圆锥面折射后能够形成相互交叉的锥形光束，半锥角α控制在π/2-arcsin(n_liquid/n_core)＜α＜π/2的范围内。对于纤芯折射率n_core＝1.4868，包层折射率n_cladding＝1.4571，和光纤光镊所处的液体折射率n_water＝1.333的情况下，该半锥角的范围应控制在大于26.3°，小于90°之间。

步骤2，锥体抛光：将上述研磨好的光纤锥体置于裸光纤抛光系统进行抛光，在显微镜下经过检测合格后，放在超声清洗槽中清洗、烘干备用；

步骤3，耦合连接：将制备好的锥体光纤的另一端进行涂敷层祛除、切割，然后与带有光源尾纤的单模光纤进行焊接。结合图5，在焊点9处进行加热至软化状态，然后进行拉锥，并进行光功率监测，直到耦合到具有环形多芯光纤的光功率达到最大时为止；

步骤4，封装保护：将石英毛细套管调至图5中所示的锥体耦合区12处，然后在毛细套管两端用CO₂激光器加热焊接密封，或者用还氧树脂封装固化，然后进行二次涂覆完成整体保护后，就完成了环形多芯光纤锥体折射型光纤光镊。其中1为具有环形多芯结构的光纤；2为处于环形分布状态的光纤芯；3为研磨成锥体的光纤端；4是裸露在锥体表面的处于环形分布状态的光纤芯；5是出射光锥交汇顶点；6是出射的远场光锥。

结合图3，本发明的第二种实施方式与第一种实施方式的区别在于所述的锥体是通过对光纤端的研磨加工形成的圆台形，半锥角α控制在0＜α＜π/2-arcsin(n_liquid/n_core)的范围内。其实施过程如下：

步骤1，锥体研磨：取一段环形多芯光纤，借助于裸光纤端研磨系统，将其一端研磨成如图3所示的锥体圆台形状，为了保证出射光经过圆台锥面4后能够形成全内反射光，在经过锥体圆台顶端面的折射后，形成相互交叉的锥形光束，半锥角α应控制在0＜α＜π/2-arcsin(n_liquid/n_core)的范围内。对于纤芯折射率n_core＝1.4868，包层折射率n_cladding＝1.4571，和光纤光镊所处的液体折射率n_water＝1.333的情况下，该半锥角α的范围应控制在0-26.3°之间。

步骤2，锥体抛光：将上述研磨好的光纤锥形圆台置于裸光纤抛光系统进行抛光，在显微镜下经过检测合格后，放在超声清洗槽中清洗、烘干备用；

步骤3，耦合连接：将制备好的锥体光纤的另一端进行涂敷层祛除、切割，然后与带有光源尾纤的单模光纤进行焊接。在图5所示的焊点9处进行加热至软化状态，然后进行拉锥，并进行光功率监测，直到耦合到具有环形多芯光纤的光功率达到最大时为止；

步骤4，封装保护：将石英毛细套管调至图5所示的锥体耦合区12处，然后在毛细套管两端用CO₂激光器加热焊接密封，或者用还氧树脂封装固化，然后进行二次涂覆完成整体保护后，就完成了具有锥形圆台体的全内反射——折射型光纤光镊。其中1为具有环形多芯结构的光纤；2为处于环形分布状态的光纤芯；3为研磨成锥形圆台体的光纤端；4是裸露在锥形圆台体表面的处于环形分布状态的光纤芯；5是出射光锥交汇顶点；6是出射的远场光锥；7是经由圆锥壁全反射后到达锥形圆台体上端面的环形光场分布区。

结合图4，本发明的第三种实施方式与第一种和第二种实施方式的区别在于所述的锥体是通过对光纤端的加热施行熔融拉锥后在尖端进行切割的方法加工形成的渐变锥体。其实施过程如下：

步骤1，锥体拉制：取一段环形多芯光纤，将其涂敷层祛除然后置于光纤拉锥机上，加热至软化状态，然后进行拉锥，为了保证光能量在多芯环形锥体波导的传输过程满足(1)绝热条件，(2)具有一定的锥度，以便出射光能够形成一个交叉锥体光场。锥体的拉制过程中，锥体变化不能过陡；

步骤2，锥体切割：取下拉制好的锥体，在显微镜下进行切割后，就制成了如图4所示的环形多芯折射型光纤光镊；

步骤3，耦合连接：将制备好的锥体光纤的另一端进行涂敷层祛除、切割，然后与带有光源尾纤的单模光纤进行焊接。在如图5所示的焊点9处进行加热至软化状态，然后进行拉锥，并进行光功率监测，直到耦合到具有环形多芯光纤的光功率达到最大时为止；

步骤4，封装保护：将石英毛细套管调至图5所示的锥体耦合区12处，然后在毛细套管两端用CO₂激光器加热焊接密封，或者用还氧树脂封装固化，然后进行二次涂覆完成整体保护后，就完成了折射型光纤光镊。其中1为具有环形多芯结构的光纤；2为处于环形分布状态的光纤芯；3为拉制成锥形圆台体的光纤端；5是出射光锥交汇顶点；6是出射的远场光锥；8是锥形圆台体上端面按比例拉锥收缩后的环形分布的光纤芯区。

Claims (9)

1、一种基于环形多芯光纤的光镊，其特征是：包括具有环形多芯结构的光纤和耦合连接于环形多芯光纤尾端的单芯光纤，该单芯光纤与光源连接，具有环形多芯结构的光纤的前端通过对光纤端的研磨加工制做成锥体或锥体圆台形状或加热施行熔融拉锥后在尖端进行切割制做成渐变锥体圆台形状。

2、根据权利要求1所述的基于环形多芯光纤的光镊，其特征是：具有环形多芯结构的光纤的前端通过对光纤端的研磨加工制做成锥体，所述的锥体是圆锥形，半锥角α控制在π/2-arcsin(n_liquid/n_core)＜α＜π/2的范围内，每个光纤芯中传输的光经过锥体表面折射后在光纤锥体前端形成环形的交叉光锥组合光场。

3、根据权利要求1所述的基于环形多芯光纤的光镊，其特征是：具有环形多芯结构的光纤的前端通过对光纤端的研磨加工制做成锥体圆台形状，所述的圆台形，半锥角α控制在0＜α＜π/2-arcsin(n_liquid/n_core)的范围内，每个光纤芯中传输的光经过锥体表面后，经由锥体内部反射后再从锥体圆台小端折射出光纤，在锥体圆台光纤前端形成环形的交叉光锥组合光场。

4、根据权利要求1所述的基于环形多芯光纤的光镊，其特征是：加热施行熔融拉锥后在尖端进行切割制做成渐变锥体圆台形状，通过拉制而形成的锥体圆台环形芯的导引后，出射的多芯光能够汇聚形成环形的交叉光锥组合光场。

5、根据权利要求1-4任何一项所述的基于环形多芯光纤的光镊，其特征是在具有环形多芯结构的光纤与单芯光纤的耦合区外，套装有石英毛细套管，毛细套管两端封闭。

6、根据权利要求1-4任何一项所述的基于环形多芯光纤的光镊，其特征是所述的具有环形多芯结构的光纤是由环形排列的多根纤芯构成的，其中光纤中的多个光纤芯是分布在以光纤轴心为中心的圆环上，其排列方式为密集排列。

7、根据权利要求5所述的基于环形多芯光纤的光镊，其特征是所述的具有环形多芯结构的光纤是是由环形排列的多根纤芯构成的，其中光纤中的多个光纤芯是分布在以光纤轴心为中心的圆环上，其排列方式为密集排列。

8、根据权利要求1-4任何一项所述的基于环形多芯光纤的光镊，其特征是所述的具有环形多芯结构的光纤是是由环形排列的多根纤芯构成的，其中光纤中的多个光纤芯是分布在以光纤轴心为中心的圆环上，其排列方式为稀疏排列。

9、根据权利要求5所述的基于环形多芯光纤的光镊，其特征是所述的具有环形多芯结构的光纤是是由环形排列的多根纤芯构成的，其中光纤中的多个光纤芯是分布在以光纤轴心为中心的圆环上，其排列方式为稀疏排列。

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