CN100580491C - 毛细管光纤光镊及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种毛细管光纤光镊及其制作方法。在具有环形芯层的中空毛细管光纤的一端加工有使得出射光形成环形锥体交叉光场的锥体，在具有环形芯层的中空毛细管光纤的中部一侧开有一个小孔，并且该小孔与一个气压调整装置相连接，在具有环形芯层的中空毛细管光纤的另一端焊接有一段标准实心光纤，标准实心光纤与具有环形芯层的中空毛细管光纤通过将焊接处拉制而成的锥体过渡区连成一体。本发明的毛细管光纤光镊中，毛细管为微小粒子提供了一个存储场所，一方面所俘获的微小粒子可以通过毛细管内的微负压吸附作用而存储在毛细管内；另一方面微小粒子也可以通过微正压提供给纤端光镊，完成对大量微小粒子实施连续组装的操纵。

Description

毛细管光纤光镊及其制作方法

(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芯毛细管光纤的光镊。本发明也涉及一种光镊的制备方法。

(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 dielectric particles，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，提出了光波导光镊技术方案，借助于在同一块材料基体上的多个波导通道来实现微小粒子的捕获[陆思，杨昌喜，周兆英，光波导光钳系统，中国发明专利，公开号CN1740831A]，鉴于该光波导光镊端具有体积较大，制备难度大的不足，人们进一步发展了光纤光镊技术[A.Constable，J.Kim，J.Mervis，F.Zarinetchi，and M.Prentiss，Demonstration of a fiber-opticallight-force trap，Opt.Lett.18，1867-1869，1993；Zhihai Liu，Chengkai Guo，JunYang，and Libo Yuan，Tapered fiber optical tweezers for microscopic particletrapping：fabrication and application，Optics Express，14(25)，12510-12516，2006]。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 optical fiber 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[刘志海，苑立波，杨军，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]；公开号CN101118300的中国发明专利给出了一种小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊及其制作方法。它是采用小芯径超高数值孔径光纤加工而成的，其光纤端被研磨成锥体形状。由于该光纤尖端的大数值孔径而形成的发散光场可形成较大的光场梯度力势阱，因而可以克服粒子的自重，实现对微小粒子的单光纤三维俘获[苑立波，杨军，刘志海，超高数值孔径锥体光纤光镊技术]。为了进一步对所捕获的微小粒子的姿态进行控制，公开号为CN101149449的中国发明专利文件中又给出了一种双芯光纤光镊[苑立波；刘志海；杨军，用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊及其制作方法]。

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，对于捕获的粒子，无处存放。对于数量较大的多个粒子搬运与组装任务，其操纵与装配效率低。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种既可以捕获的粒子、又可以存放粒子，更适合于完成数量较大的多个粒子搬运与组装任务的毛细管光纤光镊。本发明的目的还在于提供一种毛细管光纤光镊的制作方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的毛细管光纤光镊包括一段具有环形芯层的中空毛细管光纤，在具有环形芯层的中空毛细管光纤的一端加工有使得出射光形成环形锥体交叉光场的锥体，在具有环形芯层的中空毛细管光纤的中部一侧开有一个小孔，并且该小孔与一个气压调整装置相连接，在具有环形芯层的中空毛细管光纤的另一端焊接有一段标准实心光纤，标准实心光纤与具有环形芯层的中空毛细管光纤通过将焊接处拉制而成的锥体过渡区连成一体。

本发明的毛细管光纤光镊还可以包括：

1、所述的具有环形芯层的中空毛细管光纤的导光环形芯层的折射率比毛细管壁的石英或玻璃材料略高，导光芯层位于毛细管内壁或位于毛细管外壁或处于毛细管壁的中间。

2、所述的具有环形芯层的中空毛细管光纤一端所加工的锥体的半锥角在10°～80°度之间。

3、所述的标准实心光纤是多模光纤或单模光纤。

本发明的毛细管光纤光镊的制作方法为：

1、将一段具有环形芯层的中空毛细管光纤的一端加工成锥体，使得出射光形成环形锥体交叉光场；2、在具有环形芯层的中空毛细管光纤的中部一侧开一个小孔，并加装一个气压调整装置；3、在具有环形芯层的中空毛细管光纤的另一端，与一段标准实心光纤进行焊接，并将焊接处通过加热拉锥的方法拉制成锥体过渡区。

本发明的毛细管光纤光镊的制作方法还可以包括：

1、所述的将一段具有环形芯层的中空毛细管光纤的一端加工成锥体是通过精密研磨或化学腐蚀方法或深紫外激光微加工技术加工而成的。

2、所述的在具有环形芯层的中空毛细管光纤的中部一侧开一个小孔是通过精密研磨方法或深紫外激光微加工技术加工而成的。

3、所述的将焊接处通过加热拉锥的方法拉制成锥体，所用的加热方法是氢氧燃或CO₂激光器或电弧或高温电阻的任一种。

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出了一种基于环形芯毛细管光纤的光镊。这种光纤光镊是在环形芯毛细管光纤的基础上，通过对光纤端的研磨加工，利用外部折射或内部反射与外部折射联合作用的方式，使得环形芯毛细管光纤出射的光场能够汇聚形成环形的交叉光锥组合光场。该光场的锥形交汇区构成了一个光势阱，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体现在光纤光镊与毛细管功能的结合上，毛细管为微小粒子提供了一个存储场所，这使得一方面，光镊所俘获的微小粒子可以通过毛细管内的微负压吸附作用而存储在毛细管内；另一方面，存储在毛细管内的微小粒子也可以通过微正压提供给纤端光镊，完成对大量微小粒子实施连续组装的操纵。例如，在细胞操纵和分选与清洗的过程中，其它光镊无法实现将活体细胞在脱离液体环境下进行输运，而本发明所提出的毛细管光纤光镊由于复合了毛细管存储装置，因而可以实现活体细胞在不同液体环境下的搬运。这种光纤光镊的另一个优点是：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。

本发明的主要技术特征在于：(1)这种光纤光镊是在一段具有环形芯层的中空毛细管光纤的基础上，把光纤的一端加工成锥体，使得出射光形成环形锥体交叉光场；(2)在具有环形芯层的中空毛细管光纤的中部一侧开有一个小孔，并与一个气压调整装置相连接，用于对毛细管光纤内的微小粒子施加一个微小的正压或负压力；(3)在具有环形芯层的中空毛细管光纤的另一端，与一段标准实心光纤焊接，并将焊接处拉制成锥体过渡区，使得来自标准光纤的光源能够注入到中空毛细管光纤的环形芯层中。

(四)附图说明

图1-a是一种具有环形芯结构的毛细管光纤横断面图，其环形导光芯层位于毛细管内壁。其中1为毛细管光纤基体，是折射率较低的石英或玻璃；2为环形波导光纤芯；3是毛细管的空腔。

图1-b是另一种具有环形芯结构的毛细管光纤横断面图，其环形导光芯层位于毛细管壁中间。其中1为毛细管光纤基体，是折射率较低的石英或玻璃；2为环形波导光纤芯；3是毛细管的空腔。

图2是环形芯毛细管光纤端被研磨成锥体所形成的折射型毛细管光纤光镊示意图。其中1为毛细管光纤基体，是折射率较低的石英或玻璃；2为环形波导光纤芯；3是毛细管的空腔；4为研磨成锥体的光纤端；5是裸露在锥体表面的处于环形分布状态的光纤芯；6是出射光锥交汇顶点；7是出射的远场光锥。

图3是环形芯毛细管光纤端被研磨成锥形圆台体所形成的全内反射——折射型光纤光镊示意图。其中1为毛细管光纤基体，是折射率较低的石英或玻璃；2为环形波导光纤芯；3是毛细管的空腔；4为研磨成锥体的毛细管光纤端；5是裸露在锥体表面的处于环形分布状态的光纤芯；6是出射光锥交汇顶点；7是出射的远场光锥；8是经由圆锥壁全反射后到达空心锥形圆台体上端面的环形光场分布区。

图4-a是环形芯毛细管光纤与标准单模或多模光纤的焊接示意图。其中1为具有环形芯结构的毛细管光纤；2为处于环形分布状态的光纤芯；9为单芯光纤与环形芯光纤的焊点处；11为普通单芯光纤；12为注入的光源。

图4-b是环形芯毛细管光纤与标准单模或多模光纤在焊点处经过拉锥后的光耦合连接示意图。其中1为具有环形芯结构的毛细管光纤；2为处于环形分布状态的光纤芯；10为拉制成双锥体的两光纤连接过渡区；11为普通单芯光纤；12为注入的光源。

图5是环形芯毛细管光纤光镊的全貌示意图。其中1为具有环形芯结构的毛细管光纤；4为研磨成锥体的毛细管光纤端；10为拉制成双锥体的两光纤连接过渡区；11为普通单芯光纤；12为注入的光源；13为在毛细管光纤侧壁经过微加工而形成的一个小孔，与外界的一个微压力调整装置相连接，用于控制毛细管内的压力。

(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：

实施例(一)：

图2给出了本发明的一种锥体光纤光镊的实施方法。其实施过程如下：

步骤1，锥体研磨：取一段图1-a所示的环形芯毛细管光纤，该光纤的波导层位于毛细管内壁。借助于裸光纤端研磨系统，将其一端研磨成如图2所示的圆锥体形状，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26.3°～80°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或多模光纤进行焊接。在如图4(a)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芯光纤的光功率达到最大时为止；

步骤4，封装保护：将内径大于标准光纤或毛细管光纤的石英套管调至图4(b)所示的锥体耦合区10处，然后在石英套管两端用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。

步骤5，在毛细管光纤与标准光纤耦合连接点和毛细管光纤锥体端之间，采用波长为157nm的深紫外激光器或飞秒激光器在毛细管侧壁加工一个直径约20～30微米的小孔，该小孔与一个微压力调整装置相连接。就完成了如图5所示的具有环形芯毛细管光纤锥体折射型光纤光镊。

实施例(二)：

图3给出了本发明给出的另一种具有环形芯毛细管光纤光镊的实施方法。其实施过程如下：

步骤1，锥体研磨：取一段图1-b所示的环形芯毛细管光纤，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，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10～26.3°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或多模光纤进行焊接。在如图4-a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芯光纤的光功率达到最大时为止；

步骤4，封装保护：将内径大于标准光纤或毛细管光纤的石英套管调至图4-b所示的锥体耦合区10处，然后在石英套管两端用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。

步骤5，在毛细管光纤与标准光纤耦合连接点和毛细管光纤锥体端之间，采用波长为157nm的深紫外激光器或飞秒激光器在毛细管侧壁加工一个直径约20～30微米的小孔，该小孔与一个微压力调整装置相连接。就完成了如图5所示的具有环形芯毛细管光纤锥体折射型光纤光镊。

Claims (6)

1、一种毛细管光纤光镊，其特征是：包括一段具有环形芯层的中空毛细管光纤，在具有环形芯层的中空毛细管光纤的一端加工有使得出射光形成环形锥体交叉光场的锥体，在具有环形芯层的中空毛细管光纤的中部一侧开有一个小孔，并且该小孔与一个气压调整装置相连接，在具有环形芯层的中空毛细管光纤的另一端焊接有一段标准实心光纤，标准实心光纤与具有环形芯层的中空毛细管光纤通过将焊接处拉制而成的锥体过渡区连成一体，所述的具有环形芯层的中空毛细管光纤的导光环形芯层的折射率比毛细管壁的石英或玻璃材料略高，导光环形芯层位于毛细管内壁或位于毛细管外壁或处于毛细管壁的中间。

2、根据权利要求1所述的毛细管光纤光镊，其特征是：所述的具有环形芯层的中空毛细管光纤一端所加工的锥体的半锥角在10°～80°度之间。

3、根据权利要求2所述的毛细管光纤光镊，其特征是：所述的标准实心光纤是多模光纤或单模光纤。

4、一种毛细管光纤光镊的制作方法，其特征是：

(1)将一段具有环形芯层的中空毛细管光纤的一端加工成锥体，使得出射光形成环形锥体交叉光场，所述的具有环形芯层的中空毛细管光纤的导光环形芯层的折射率比毛细管壁的石英或玻璃材料略高、导光环形芯层位于毛细管内壁或位于毛细管外壁或处于毛细管壁的中间，所述的加工成锥体是通过精密研磨或化学腐蚀方法或深紫外激光微加工技术加工；(2)在具有环形芯层的中空毛细管光纤的中部一侧开一个小孔，并加装一个气压调整装置；(3)在具有环形芯层的中空毛细管光纤的另一端，与一段标准实心光纤进行焊接，并将焊接处通过加热拉锥的方法拉制成锥体过渡区。

5、根据权利要求4所述的毛细管光纤光镊的制作方法，其特征是：所述的在具有环形芯层的中空毛细管光纤的中部一侧开一个小孔是通过精密研磨方法或深紫外激光微加工技术加工而成的。

6、根据权利要求4所述的毛细管光纤光镊的制作方法，其特征是：所述的将焊接处通过加热拉锥的方法拉制成锥体，所用的加热方法是氢氧燃或CO2激光器或电弧或高温电阻的任一种。

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