CN100580490C - 集成于单根光纤的多光镊 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种集成于单根光纤的多光镊。它包括在一个公共包层中具有多个纤芯(2)的多芯光纤(1)，多芯光纤的一端通过研磨加工处理形成具有对称或非对称形状的多角楔形，其侧面(3)与光纤端面(6)组成大梯度光场转换区。与其他光镊相比，本发明的改进之处主要体现在：(1)发明了利用多芯光纤构成光镊，同时捕获多个微小粒子，通过纤芯数目的调整，实现光势阱和捕获粒子数量的变更；(2)发明了通过调整纤芯几何排布结构，实现不同空间几何排列的多个微小粒子的同时捕获；(3)基于光束全反射——折射聚焦原理，可以极大地提高光镊势阱的捕获力。基于上述改进，实现了多光纤光镊的组合与集成，同时使光镊的捕获特性得到极大改善。

Description

集成于单根光纤的多光镊

(一)技术领域

本发明涉及的是一种光镊，具体地说是一种组合式纤维集成多光纤光镊。

(二)背景技术

光被认为是即具备粒子性又具备波动性的光子流，它既有质量也有动量。当物体与光辐射场之间发生相互作用时，会受到光辐射力。在空间中强度剧烈变化的光场，会将光辐射力转变成梯度力，把微粒稳定地捕获在光强的最大处，即光束的焦点位置。利用这个性质可以实现对微粒非接触式的精密操控，能够完成这种功能的装置被称为光镊。自1970年，美国贝尔实验室的Ashkin首次在实验中观察到了激光的辐射力，并成功地利用激光完成了微粒悬浮的实验(1970，Phys.Rev.Lett.，24：156-159)。之后，光镊技术得到了极大的发展，使其能够广泛应用于各种微小粒子的操作领域中，从小到纳米粒子，大到数百微米的粒子、从活体细胞到DNA生物大分子链都可以用光镊进行捕获和操作。

常规激光光镊的原理是将从激光器发出的激光束，经扩束器和光强调节器后进入倒置生物显微镜系统，被双向色分束器和高倍显微物镜汇聚后形成光焦点光阱，利用梯度场光阱的作用将样品中的微粒捕获于焦点附近。样品在显微镜照明光源的照射下，经显微物镜、双向色分束器、减光器、分束器和目镜后，可用于人眼观察样品。经双向色分束器透射后的光束，经普通分束器后部分被反射，并经透镜将样品成像于CCD实现实时控制。这种光镊系统基于光学显微镜系统，体积较大，结构固定，结构上乏灵活性，操作自由度较小，并且难于实现多光镊集成与操作。

光纤作为波导介质，其柔性特征更适合于在复杂空间中进行微操作的要求。与常规光镊系统相比，光纤光镊具有结构简单、价格低廉、操作灵活的特点。2003年加拿大的R.S.Taylor等人(美国专利，Method and evice for manipulatingmicroscopic quantities of materaial，US 6,941,033B2，2005)利用腐蚀和镀膜的方法，制作了一种金属化中空光纤探针，巧妙地利用针尖的静电引力与光散射力达到平衡，捕获和操纵了浸没在水中的玻璃微粒，实现了粒子的三维捕获。这种结构的光纤光镊，加工过程中需要进行多次腐蚀，步骤复杂，加工时间长，成品率低；加工过程需要使用氢氟酸等有毒物质，对加工环境要求高。

2006年，陆思等人公开了一种基于光波导的光钳系统(中国发明专利，光波导光钳系统，专利号：200510093339.1，2006)，利用多根光纤将激光器发射的能量光供给特殊形状的二维和三维光波导，传输光通过波导端部的聚焦形成光势阱，实现用于粒子捕获、固定和移动。这种基于光束折射聚焦原理的光波导光钳，聚焦光束的交角无法进一步增大，限制了对粒子捕获力的增加；构成光镊的核心元件——多通道平面和立体光波导，加工与制备非常困难，价格昂贵；捕获点距离波导光钳较近，并且波导中的每个波导通路都需要与光纤进行单独的连接，几何尺寸无法进一步减小，限制了光钳在狭窄位置(如：深孔中)对微粒的操作。

2006年申请人提出了一种基于熔融拉锥方法的光纤光镊抛物线形状的单光纤光镊及其制作技术(抛物线形微结构单光纤光镊的熔拉制作方法，中国专利申请号；200610151087.8)。这种具有抛物线形状的光纤探针可以有效地实现粒子的三维捕获，优点是结构简单，对光源的传播模式无特殊要求；制作方法简便，对加工条件无特殊要求等。但进一步的研究表明，此种结构的单光纤光镊的捕获捕获力无法进一步增加，只能够实现较小尺度粒子的三维捕获，并且只能捕获单一粒子。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种多点捕获、体积小、结构简单、捕获特性优良的集成于单根光纤的多光镊。

本发明的目的是这样实现的：

它包括在一个公共包层中具有多个纤芯2的多芯光纤1，多芯光纤的一端通过研磨加工处理形成具有对称或非对称形状的多角楔形，其侧面3与光纤端面6组成大梯度光场转换区。

本发明可以包括这样一些特征：

1、所述的纤芯2的数量大于等于4。

2、所述的多芯光纤1，纤芯2中的传输模式的特征是：单模或者多模。

3、所述的多芯光纤1中纤芯2几何结构排列的特征是：圆心对称的线形分布结构、圆心对称的三角分布结构、圆心对称的四角分布结构、圆心对称的六角结构、S型分布结构或其它非圆心对称与非对称结构中的一种。

所述的纤维集成组合光纤光镊形状功能特征是：如果假设光纤芯的折射率为n₁，粒子捕获环境的工作的折射率为n₂，当研磨加工的楔角 $\mathrm{\θ}\≤\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arcsin (n_1/n_2)$ 时，光纤芯中传输的光经过光场转换区，发生内部反射与外部折射的联合作用，光束的偏折角α为

当研磨加工的楔角 $\mathrm{\θ}>\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arcsin (n_1/n_2)$ 时，光纤芯中传输光在光场转换区界面处置发生向粒子捕获区的折射，光束的偏转角α为 $\arcsin (\frac{n_2}{n_1}\·\cos \mathrm{\θ})-\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\θ}.$

所述的纤维集成组合光纤光镊，如果光镊工作在水中，其形状功能特征是：当研磨加工的楔角θ＜23°时，光纤芯中传输的光经过光场转换区，发生内部反射与外部折射的联合作用，光束的偏折角小于52°；当研磨加工的楔角θ＞24°时，光纤芯中传输光在光场转换区界面处置发生向粒子捕获区的折射，光束的偏折角小于19°；

所述的纤维集成组合光纤光镊，若光纤芯的折射率为n₁，粒子捕获的工作环境的折射率为n₂，其加工方法的特征是：满足α≥10°，因此，研磨加工的楔角θ的范围为

所述的纤维集成组合光纤光镊，若光镊工作在水中，其加工方法的特征是：满足α≥10°，研磨加工的楔角θ的范围为5°～31°。

为了说明本发明所公开的纤维集成组合光纤光镊的制作过程及其与工作原理，以最简单的轴心对称的四芯光纤为例加以说明：

法国电信和美国NASA分别生产的四芯光纤的结构如图1、图2所示，在外形尺寸为125微米的公共包层中分别含有芯间距为52微米和50微米的四个光纤芯，其几何分布关于光纤的轴心对称，纤芯的直径为9微米。基于上述四芯结构的光纤，可以构造多光纤光镊。其基本的工作原理是，将由光源发出的大功率激光均衡地注入到四芯光纤的一端(未加工端)，在每个纤芯2中激励起光传输模。由于光纤经过侧向研磨，使传输光与研磨侧面3的交角不再是90°，光束入射角β与光纤侧向研磨角θ互余。假设光纤芯的折射率为n₁，光镊工作环境的折射率为n₂，当入射角β小于全反射临界角时，纤芯的传输光束将直接折射进入工作环境中，此时光束4A或者4B偏离原传输方向的角度α为： $\arcsin (\frac{n_2}{n_1}\·\cos \mathrm{\θ})-\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\θ};$ 当入射角β大于全反射临界角时，纤芯中传输光束将首先发生全反射，然后光束在光纤端面6处发生折射进入光镊工作的环境内，此时光束4C或者4D偏离原传输方向的角度α为

可见，研磨角度θ较小时，光束4C或者4D发生全反射——折射效应，且光束偏转角α随着研磨角度θ的增加而增加；当研磨角θ大约为一个临界值时，光束4A或者4B只产生折射效应，且光束偏转角α随着研磨角度θ的增加而减小。光束不同的传输路径，完全取决于光纤侧向的研磨角，并且最大偏转角α_max出现在光束入射角刚好为全反射临界角时。

无论是直接折射的光束4A，还是全反射——折射的光束4C，进入捕获粒子所处的环境后，都分别与光纤轴向对称研磨面的出射光束4B或者4D相交。由于两侧面的研磨角度相同，因此光束4A与4B、4C与4D关于光纤的轴向对称，并且偏转角度的数值相同。光束4A与4B、4C与4D相交后，分别形成两束相互会聚的梯度光场，交点分别为5A和5C。光束夹角越大，光束会聚点5A和5C的光场梯度越大；当夹角大于某一个临界角度时，即光场形成的梯度力能够平衡光场的散射力、吸收力以及粒子重力之和时，微粒受到大梯度光场的作用，使5A与5C能够同时形成光阱，在这两处稳定地捕获微小粒子。光阱力可以帮助粒子克服自重，实现对微小粒子三维空间的俘获，并对其进行固定、搬运以及传递等操作。会聚光束4A与4B、4C与4D的交角越大，5A和5C处的捕获力越大，但5A和5C距离光纤端面也越近。因此，相比较5A而言，5C更靠近光纤光镊。本发明的光纤光镊可以广泛用于细胞分选、细胞融合、细胞转基因操纵、微细手术、分子马达等生物医学、材料化学、分子生物学应用领域。

本发明的优点在于：

1.纤维集成组合光纤光镊中光捕获势阱的形成，可以基于光束全反射——折射聚焦原理，与其它结构的光镊相比，可以通过改变光纤端研磨的角度，大幅度地提高了光束的交角，使聚焦光场的梯度增加，极大地改善了光纤光镊的捕获特性；同时可以非常方便地通过改变光纤端的研磨角度，调整光镊的力学捕获特性和捕获点的位置。

2.基于多芯光纤的纤维集成组合光镊通过更改光纤中纤芯数量，形成不同数目的光学势阱；通过灵活选择光纤中多个纤芯的几何排列结构和研磨加工角度，实现不同空间排列的多个微小粒子的同时捕获；并且其操作与观察分离，具有结构简单、操作灵活、价格低廉等特点。

3.与常规光镊系统相比，组合多光纤光镊集成于单根光纤中，外径可以小至125微米，被捕获的样品可以自由移动，光镊探头可以深入到样品室中的任何位置，大大提高了应用范围；更适合于形成集成式的微实验环境，易于与微机电系统(MEMS)相结合，最终实现激光微操作的自动化。

综上所述，与其他光镊相比，纤维集成组合光镊技术的改进之处主要体现在，(1)发明了利用多芯光纤构成光镊，同时捕获多个微小粒子，通过纤芯数目的调整，实现光势阱和捕获粒子数量的变更；(2)发明了通过调整纤芯几何排布结构，实现不同空间几何排列的多个微小粒子的同时捕获；(3)基于光束全反射——折射聚焦原理，可以极大提高了光镊势阱的捕获力。基于上述改进，实现了多光纤光镊的组合与集成，同时使捕获特性得到极大改善。

(四)附图说明

图1是法国电信生产的MCF-4型四芯光纤的截面图片。

图2是美国NASA制作的四芯光纤的截面图片。

图3是由四芯光纤构成的集成式多光镊的结构示意图。

图4是图3的侧视结构图。

图5是图3的光捕获原理示意图。

图6是发明的基于光束折射的轴向对称的楔形多光纤光镊集成的结构和捕获光场示意图。

图7是图6的俯视图。

图8是发明的基于全反射——折射的四角锥型多光纤光镊集成的结构示意图和捕获光场示意图。

图9是图8的俯视图。

图10是发明的轴向对称三角锥多光纤光镊组合与集成的结构示意图。

图11是发明的轴向对称六角锥多光纤光镊组合与集成的结构示意图。

图12是发明的基于S型分布的多芯光纤的多光镊组合与集成的结构示意图。

(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，本发明的用来俘获多个微小粒子的纤维集成组合光纤光镊的组成包括在公共包层1中含有多个独立光纤芯2的多芯光纤，通过对多芯光纤的一端进行研磨加工处理，形成具有不同几何对称或者非对称形状的多角楔形，其侧面3与光纤端面6组成大梯度光场的转换区。利用传输光束在光场转换区界面处向粒子捕获区的折射、内部全反射与外部折射的联合作用，使从多芯光纤中出射的传输光束4A～4D，在空间形成多个三维光势阱5A与5C，实现了将多个光纤光镊组合与集成于一根光纤中。

图6、图7是本发明的基于光束折射的轴向对称的楔形多光纤光镊集成的结构和捕获光场示意图。图中2为多芯光纤中的纤芯，3为光纤端研磨的侧面，4为折射出射的聚焦光束，5为聚焦光束相交形成的一系列可以捕获粒子的光势阱，6为光纤端面(聚焦光场转换区的顶面)，7为光纤的轴向。

图8、图9是本发明的基于全反射——折射的四角锥型多光纤光镊集成的结构和捕获光场示意图。图中4为全反射——折射的会聚光束，5为会聚光束相交形成的一系列可以捕获粒子的光势阱。

实施例一：

以下描述的是基于光束折射原理的轴向对称的楔形多光纤光镊组合集成的实施方案，如图6与图7所示。多光纤光镊的组合与集成的制作方法是利用轴心对称线性几何分布的六芯光纤，对其端面进行研磨加工处理实现的。六芯光纤的楔形研磨加工方法如下：

(1)选取一段上述结构的六芯光纤，去除涂敷层后，用酒精和乙醚的混合液清洁后待用；

(2)将一定颗粒度的抛光砂纸放在光纤端研磨机上的抛光盘上，固定清洁后的六芯光纤，使其一端置于研磨盘上；

(3)旋转光纤，并使光纤芯连线处于垂直于研磨盘的平面内，并与研磨盘呈现一定的夹角，夹角可以通过研磨机的程序控制，其数值直接决定光纤研磨角度θ的大小；

(4)让研磨盘产生低速旋转，通过研磨砂纸与光纤侧面的相对摩擦，对光纤的一个侧向进行研磨和抛光；

(5)光纤一个侧面研磨结束后，使光纤沿轴心自转180°，实现对光纤另外一个侧面的研磨与抛光；

(6)更换颗粒度较小的砂纸，重复步骤(4)、(5)直到光纤的两个侧面的研磨角达到设定的角度，且光纤研磨的表面达到规定的光洁度。

上述过程完成了光纤光镊的加工。对于轴向对称楔形对称的光纤光镊而言，其两个侧面研磨角θ是相同的，其数值大小需要大于全反射临界角的余角，使光束在光纤研磨面出能够直接出射，形成会聚光场。

实施例二：

以下描述的是基于全反射——折射原理的轴向对称的四角锥型多光纤光镊组合集成的实施方案，如图8与图9所示。多芯光纤的结构是在线性几何分布的六芯光纤基础上，在垂直方向各增加2个纤芯，构成10芯光纤。通过对其的研磨加工处理实现多光纤光镊的组合与集成。10芯光纤的四角锥形的研磨加工方法如下：

其中步骤(1)至(4)与楔形端的研磨过程相同；

(5)光纤的一个侧面研磨结束后，使光纤沿轴心自转90°，此时可以通过程序重新设置研磨角θ的大小，以实现对光纤另外一个侧面的研磨与抛光；

(6)更换颗粒度较小的砂纸，重复步骤(4)、(5)直到光纤的四个侧向的研磨角达到设定的角度，且光纤研磨的表面达到规定的光洁度。

上述过程完成了四角锥形光纤光镊的加工。加工中光纤轴向对称的两个研磨侧面研磨角θ是相同的，并且6芯光纤轴向的研磨角度大于全反射临界角的余角，使经研磨面的光束直接折射出射，形成会聚光场；而4芯光纤轴向的研磨角度小于全反射临界角的余角，使经研磨面的光束经历全反射——折射出射，形成会聚光场。两个轴向光线出射后，汇聚光线形成的捕获点在空间实现分立。

实施例三：

多光纤光镊组合与集成还可以利用轴向对称分布的9芯光纤实现，如图10所示。其实现方法和过程与例一类似实施，不同之处在于需要根据光纤中纤芯的几何分布对称特性，研磨加工出轴向对称的三角锥光纤端结构。其光纤的三个侧向研磨角度需要相同，但可以选择大于全反射临界角的余角，实现直接折射聚焦，也可以选择小于全反射临界角的余角，实现全反射——折射聚焦。

实施例四：

多光纤光镊组合与集成还可以利用轴向对称分布的18芯光纤实现，如图11所示。其实现方法和过程与例二类似实施，不同之处在于需要根据光纤中纤芯的几何分布对称特性，研磨加工出轴向对称的六角锥光纤端结构。其光纤的研磨的六个侧面中，轴向对称的研磨面研磨角度实现的，而不对称侧面研磨角度需要加以区分。研磨角度的选择余地较大，可以选择大于全反射临界角的余角，实现直接折射聚焦，也可以选择小于全反射临界角的余角，实现全反射——折射聚焦。

实施例五：

多光纤光镊组合与集成还可以基于特殊几何分布的多芯光纤实现，如图12所示。利用S型分布的多芯光纤，同对其端面的研磨加工使其成为圆锥，可以同样实现多光纤光镊的组合与集成。与其它实施例的研磨加工方法不同之处在于，光纤端在研磨过程中需要不断自转，实时改变研磨方向，实现圆锥的研磨。这种异型几何排布结构的多芯光纤，为相对于光纤端不同空间位置的光势阱的调节提供了一种有效的方法。

Claims (5)

1、一种集成于单根光纤的多光镊，其特征是：它包括在一个公共包层中具有多个纤芯(2)的多芯光纤(1)，多芯光纤的一端通过研磨加工处理形成具有对称形状或者非对称形状的多角楔形，从多个纤芯(2)出射的光束(4)两两相交，在空间形成多个三维光势阱(5)。

2、根据权利要求1所述的集成于单根光纤的多光镊，其特征是：所述的纤芯(2)的数量大于等于4。

3、根据权利要求1或2所述的集成于单根光纤的多光镊，其特征是：形成光镊的数目大于等于2。

4、根据权利要求1或2所述的集成于单根光纤的多光镊，其特征是：所述的多芯光纤(1)中纤芯(2)几何结构排列的特征是：圆心对称的线形分布结构、圆心对称的三角分布结构、圆心对称的四角分布结构、圆心对称的六角结构、S型分布结构中的一种。

5、根据权利要求3所述的集成于单根光纤的多光镊，其特征是：所述的多芯光纤(1)中纤芯(2)几何结构排列的特征是：圆心对称的线形分布结构、圆心对称的三角分布结构、圆心对称的四角分布结构、圆心对称的六角结构、S型分布结构中的一种。

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