CN100347577C - 光波导光钳系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光波导器件领域的一种光波导光钳系统。是在机械装置上固定光波导光钳，光波导光钳与光纤阵列相连接，样品台设置在光波导光钳和显微镜之间，显微镜依次和CCD摄像机、监视器连接；激光器为捕获光源，光纤阵列的尾纤通过光纤耦合器将激光器的输出光耦合到光纤阵列中，再进入光波导光钳中，控制电路与激光器连接。本发明中由机械装置控制光波导光钳的空间位置，由控制电路控制光波导光钳的通光情况，由此实现光波导光钳对微粒的捕获、固定、移动和旋转操纵。光波导光钳系统中，捕获光学系统与观察光学系统完全分离，捕获光学系统可以实现模块化。在实际应用中，可以方便地调整系统结构或结合使用其它测量设备，系统柔性高。

Description

光波导光钳系统
技术领域
本发明属于光波导器件领域，特别涉及一种光波导光钳系统。
背景技术
传统光钳基于光学显微镜系统构建，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，对微粒进行捕获和操纵。传统光钳可以实现几十纳米至几十微米微粒的捕获，技术上已经相当成熟和完善，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。
现有光纤光钳是将两根单模光纤的末端面精磨成逐渐变细的半球面，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。光纤光钳结构简单，可以做成微型探头形式，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。
发明内容
本发明的目的在于提出将光波导技术与光钳技术结合的一种光波导光钳系统。其特征在于，所述光波导光钳系统包括以下部分，在机械装置9上固定包含一个或多个光波导组8的光波导光钳6，机械装置9控制光波导光钳6的空间位置，光波导光钳6与光纤阵列4相连接，光纤阵列4上等间距排布着光纤分支5，在连接处，光波导光钳6上光波导分支7的间距与光纤阵列4上光纤分支5的间距相等；激光器1为捕获光源，光纤阵列4的尾纤3通过光纤耦合器2将激光器1的输出光耦合到光纤阵列4中，再进入光波导光钳6中，控制电路10与激光器1连接，控制光波导光钳6的通光情况；样品台11设置在光波导光钳6和显微镜12之间，显微镜12依次和CCD摄像机13、监视器14连接；其中，光源可采用带尾纤的二极管激光器。光波导光钳6是系统的关键器件。
所述光波导组8由一组结构相同、轴对称排布的光波导分支7构成，所包含的光波导分支数≥2；一个光波导组8由两条光波导分支7组成，其包含的光波导分支数＝2；对于平面光波导光钳6中的一个光波导组8，它包含位于一个平面内的两条光波导分支7；而对于三维光波导光钳6，光波导组8包含光波导分支数＞2，光波导分支7布于三维空间中；这种光钳具有集成化的结构，并且在一个光钳上集成多种微粒操纵功能。
所述单个光波导分支7的出射光束具有聚焦特性，一个光波导组8中各条光波导分支7的通光情况是相同的，因此具有相同的出射光场，这些光场在对称轴上一点相交叠，形成一个捕获微粒15的光阱；光波导光钳6所包含的一个或多个光波导组8在微粒15上形成一个或多个光阱，实现对微粒15的捕获、固定、移动和旋转操纵。
本发明具有如下特点：
(1)光波导光钳，尤其是三维光波导光钳，设计自由度高，同一光钳可以适用于不同微粒，并且可以在一个光钳上集成多种微粒操纵功能，包括捕获、固定、移动和旋转等。
(2)光波导光钳的结构是固定的，光阱性质在设计中确定，并在加工中得以保证，因此捕获场位置和捕获力分布均十分稳定。光纤光钳可以看作是一种特殊形式的光波导光钳，而光波导光钳克服了光纤光钳操纵微粒过程中因光纤的抖动造成的捕获场不稳定问题。
(3)光波导光钳具有集成化的结构，简单而且紧凑，可以做成微探头形式，通过外部机械装置使光波导光钳整体移动，可以灵活控制光阱的位置，从而实现光阱中被捕获微粒的固定、移动和旋转等操纵。
(4)捕获场由光波导光钳所包含的一个或多个光波导组中光波导分支出射光束的聚焦光场交叠而成，借助外部电路控制光波导组的通光情况并调制光源的强度，可以方便而灵活地调节捕获场的强度及其分布。
(5)由于光波导光钳捕获场的位置和强度分布完全实现了外部控制，操作中捕获光学系统无需进行光路调节，而归结为外部机械和电路操作，因此相比传统光钳和光纤光钳，光波导光钳对操作技能的要求较低。
(6)光波导光钳系统中，捕获光学系统与观察光学系统完全分离，捕获光学系统可以实现模块化。另一方面，在实际应用中，可以方便地调整系统结构或结合使用其它测量设备，系统柔性高。
附图说明
图1为光波导光钳系统示意图。
图2为光波导光钳捕获原理示意图。
图3为本发明的实施例一：平面光波导光钳捕获微粒。
图4为本发明的实施例二：平面光波导光钳移动微粒。
图5为本发明的实施例三：平面光波导光钳旋转微粒。
图6(a)、(b)为本发明的实施例五：三维光波导光钳捕获微粒。
图7(a)、(b)为本发明的实施例六：三维光波导光钳旋转微粒。
具体实施方式
本发明提出将光波导技术与光钳技术结合的一种光波导光钳系统。图1所示为光波导光钳系统示意图。该光波导光钳系统包括以下部分，所述光波导光钳系统包括以下部分，在机械装置9上固定包含一个或多个光波导组8的光波导光钳6，机械装置9控制光波导光钳6的空间位置，光波导光钳6与光纤阵列4相连接，光纤阵列4上等间距排布着光纤分支5，在连接处，光波导光钳6上光波导分支7的间距与光纤阵列4上光纤分支5的间距相等；激光器1为捕获光源，光纤阵列4的尾纤3通过光纤耦合器2将激光器1的输出光耦合到光纤阵列4中，再进入光波导光钳6中，控制电路10与激光器1连接，控制光波导光钳6的通光情况；样品台11设置在光波导光钳6和显微镜12之间，显微镜12依次和CCD摄像机13、监视器14连接。其中，光源可采用带尾纤的二极管激光器。光波导光钳6是系统的关键器件。
所述光波导光钳6包含一个或多个光波导组8，光波导组8由一组结构相同、轴对称排布的光波导分支7构成；一个光波导组8由两条光波导分支7组成。对于平面光波导光钳6中的一个光波导组8，它包含位于一个平面内的两条光波导分支7。而对于三维光波导光钳6，一个光波导组8包含的光波导分支数≥2，当光波导分支数＝2时，光波导分支7位于一个平面内，当光波导分支数＞2时，光波导分支排布于三维空间中。这种新型光钳具有集成化的结构，并且可以在一个光钳6上集成多种微粒操纵功能。
其中，单个光波导分支7的出射光束具有聚焦特性。一个光波导组8中各条光波导分支7的通光情况是相同的，因此具有相同的出射光场，这些光场在对称轴上一点相交叠，形成一个捕获微粒15的光阱。光波导光钳6所包含的一个或多个光波导组8在微粒15上形成一个或多个光阱，实现对微粒15的捕获、固定、移动和旋转操纵。
为了说明本发明的工作原理，下面针对最简单的情况，即只具有一个光波导组的平面光波导光钳展开说明(如图2所示)。光波导光钳6上包含一个光波导组8，这个光波导组包含关于轴O对称的两条光波导分支7(即图中A和A′)。与光纤光钳中的半球形自透镜光纤相类似，两条光波导分支7(A和A′)的出射端经过设计，可以使得其出射光具有聚焦特性，对微粒15分别施加将其推向光传输方向的散射力(即轴向力FaxA和FaxA′)，和将其推向光场增强方向的梯度力(即径向力FtrA和FtrA′)。由于两条光波导分支7(A和A′)的对称性，两组散射力和梯度力在水平方向上的分力达到平衡，垂直方向上的分力与微粒15的重力和浮力达到平衡。可以看到，两条光波导分支7(A和A′)的出射光束在对称轴O上相交叠，形成了一个光阱，微粒15在此处受到了光场的束缚力并达到了平衡，从而实现了微粒15的捕获和固定。通过机械装置移动光波导光钳6时，捕获于光阱中的微粒15将在束缚力的作用下随之移动，即实现了微粒15的移动操纵。
将上述平面光波导光钳6的一个光波导组8扩展为共对称轴的多个光波导组8(如图3、4、5、6、7所示)，变化各光波导组8的通光情况和调制光源强度时，由于各光波导组8中两条光波导分支7的对称性，水平方向上的分力始终保持平衡，而垂直方向上分力的大小发生变化，从而可以适用于不同微粒的捕获、固定和移动。使结构相同且不共对称轴的两个(或多个)光波导组8分别在微粒15上两个(或多个)不同位置形成捕获光阱，通过机械装置9旋转光波导光钳6，可以实现微粒15的旋转操纵。
将平面光波导光钳6在空间扩展为三维光波导光钳6时，上述二维光阱扩展为三维光阱，同样可以捕获、固定、移动和旋转微粒。并且由于光束扩展到三维空间中，可以不移动、不旋转光波导光钳6，而通过控制光波导组8的通光顺序来操纵微粒15的移动或旋转。
光波导光钳系统参见图1，主要包括以下部分：作为捕获光源的激光器1，将激光器1的输出光耦合到光纤阵列4的尾纤3中的光纤耦合器2，与光纤阵列4相连接的系统核心器件——光波导光钳6，控制光波导光钳6空间位置的机械装置9，控制光波导光钳6上光波导组8通光情况的控制电路10，样品台11，显微镜12，CCD摄像机13和监视器14。其中，光源可采用带尾纤的二极管激光器。
下面结合附图和实例说明本发明的结构和原理。
实施例一：
图3为平面光波导光钳捕获微粒示意图。光波导光钳6上有两个共对称轴的光波导组：AA′和BB′。A和A′对微粒15分别施加轴向力FaxA、FaxA′和径向力FtrA、FtrA′，B和B′对微粒15分别施加轴向力FaxB、FaxB′和径向力FtrB、FtrB′，上述8个力在水平方向上的分力平衡，而垂直方向上的分力与微粒15的重力和浮力达到平衡，在此平衡点上，微粒15被捕获。实际应用中，光波导组的数目可以很大，通过控制光波导组的通光情况和调制光源强度，可以使得一个光波导光钳适用于不同微粒的捕获。
实施例二：
平面光波导光钳可以通过两种方式移动微粒。最直接的方式，是通过机械装置移动光波导光钳6来移动捕获于光阱中的微粒15。另一种方式，是固定光波导光钳6，通过控制光波导组的通光情况来移动微粒15，图4为通过这种方式移动微粒15的示意图。
如图4所示，光波导光钳6上有三个结构相同的光波导组：A1A1′、A2A2′和A3A3′，对称轴分别为O1、O2和O3。在初始位置I，微粒15被通光的光波导组A1A1′捕获，此时A2A2′和A3A3′断光。然后使A2A2′通光，微粒15被A1A1′和A2A2′共同捕获，移动至位置II。再使得A1A1′断光，微粒15移动至位置III。同理，依次使A3A3′通光，A2A2′断光，微粒15依次移动至位置IV和V。扩展光波导组的数目，可将微粒移动更长的距离。需要注意的是，在将微粒15由位置I移动至位置V的过程中，微粒15在y方向上的位置会因交叠场在y方向上分力的变化而发生改变，图中未表示出。
采用第二种方式时，只能实现微粒15在一个平面内的移动(即平面光波导光钳所在平面)，并且移动的距离受到光波导组数目的限制。在实际应用中，可以将两种方式相结合，即主要通过机械装置移动光波导光钳6来移动微粒15，而通过控制光波导组的通光情况实现微粒15位置的微移。
实施例三：
图5为平面光波导光钳旋转微粒示意图。光波导光钳6上有两个结构相同的光波导组：A1A1′和A2A2′。A1和A1′关于轴O1对称，单独通光时光阱位于O1上；A2和A2′关于轴O2对称，单独通光时光阱位于O2上。两个光波导组同时通光时，两个光阱共同捕获微粒15，捕获平衡点位于轴O上。A1A1′对微粒15分别施加轴向力FaxA1、FaxA1′和径向力FtrA1、FtrA1′，A2A2′对微粒15分别施加轴向力FaxA2、FaxA2′和径向力FtrA2、FtrA2′。上述8个力在水平方向的分力达到平衡，垂直方向的分力与微粒15的重力和浮力平衡，如图5所示。当通过机械装置旋转光波导光钳6时，上述8个力在水平方向的分力将对微粒15施加旋转力矩，实现了微粒15的旋转。
实施例四：
图6为三维光波导光钳捕获微粒示意图。图6(a)中，三维光波导光钳6上的两个共对称轴的平面光波导组A和A′、B和B′形成捕获光阱，其中0°＜θ＜180°；图6(b)所示三维光波导光钳6上的三维光波导组则包含空间排布的三条光波导分支7即图中的A1、A2和A3，其中θ1＝θ2＝θ3＝120°，形成捕获光阱。图6(a)和(b)的结构均可以实现微粒15的捕获和固定。可以看到，由于光波导分支是空间排布的，一个三维光波导组中光波导分支的数目可以很大，并且一个三维光波导光钳所包含的光波导组的数目也可以很大，因此其设计自由度相比平面光波导光钳大大提高，捕获微粒的范围更广。
实施例五：
三维光波导光钳6将微粒15捕获后，通过机械装置移动光波导光钳6可以达到移动微粒15的目的。此外，利用三维光波导光钳6的空间自由度，可以不移动光波导光钳6，仅通过控制光波导组的通光情况来移动微粒15，其原理与实施例二中的第二种方式相同，不同之处在于空间光波导组可以在三维空间中的不同空间点上形成捕获场，因此可以实现微粒15的空间搬运。实用中可将两种方式加以结合，主要通过机械装置移动光波导光钳6来移动微粒15，通过控制光波导组的通光情况微移微粒15。
实施例六：
三维光波导光钳6可以采用与实施例三相同的原理来旋转微粒15。利用三维光波导光钳6的空间自由度，可以不旋转光波导光钳6，仅通过控制光波导组的通光情况来旋转微粒15。如图7(a)所示，光波导光钳6上有四个结构相同的光波导组：A1A1′、A2A2′、B1B1′和B2B2′。微粒15首先由A1A1′和A2A2′捕获于位置I，此时B1B1′和B2B2′断光。然后使得B1B1′和B2B2′通光，在图7(b)所示的俯视图中，微粒15旋转至位置II，即旋转θ/2角度。再让A1A1′和A2A2′断光，微粒15旋转至位置III。实用中旋转微粒15时，可以通过机械装置旋转光波导光钳6实现较大角度的旋转，而通过控制光波导组通光顺序实现微小角度旋转。

Claims (3)

1.一种光波导光钳系统，其特征在于：所述光波导光钳系统包括以下部分，在机械装置(9)上固定包含一个或多个光波导组(8)的光波导光钳(6)，机械装置(9)控制光波导光钳(6)的空间位置，光波导光钳(6)与光纤阵列(4)相连接，光纤阵列(4)上等间距排布着光纤分支(5)，在连接处，光波导光钳(6)上光波导分支(7)的间距与光纤阵列(4)上光纤分支(5)的间距相等；激光器(1)为捕获光源，光纤阵列(4)的尾纤(3)通过光纤耦合器(2)将激光器(1)的输出光耦合到光纤阵列(4)中，再进入光波导光钳(6)中，控制电路(10)与激光器(1)连接，控制光波导光钳(6)的通光情况；样品台(11)设置在光波导光钳(6)和显微镜(12)之间，显微镜(12)依次和CCD摄像机(13)、监视器(14)连接；其中，光源可采用带尾纤的二极管激光器；光波导光钳(6)是系统的关键器件。
2.根据权利要求1所述光波导光钳系统，其特征在于：所述光波导组(8)由一组结构相同、轴对称排布的光波导分支(7)构成，所包含的光波导分支数≥2；
对于平面光波导光钳(6)中的所述光波导组(8)，光波导分支数＝2，它包含位于一个平面内的两条光波导分支(7)；
对于三维光波导光钳(6)，所述光波导组(8)包含光波导分支数＞2，光波导分支(7)布于三维空间中；这种光钳具有集成化的结构，并且在一个光钳上集成多种微粒操纵功能。
3.根据权利要求1或2所述光波导光钳系统，其特征在于：所述单个光波导分支(7)的出射光束具有聚焦特性，所述光波导组(8)中各条光波导分支(7)的通光情况是相同的，因此具有相同的出射光场，这些光场在对称轴上一点相交叠，形成一个捕获微粒(15)的光阱；光波导光钳(6)所包含的一个或多个所述光波导组(8)在微粒(15)上形成一个或多个光阱，实现对微粒(15)的捕获、固定、移动和旋转操纵。
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