CN101118300A - 小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊及其制作方法。它是一种采用小芯径超高数值孔径的光纤加工，其光纤端被研磨成锥体形状且锥尖角度在30°～120°之间并通过热融扩散数值孔径匹配技术连接的小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊。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，对俘获粒子进行固定、搬运以及传递等操作。本发明所提供的小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊可用于活体生物细胞的俘获或微小粒子的搬运与组装。

Description

小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊及其制作方法

(一)技术领域

本发明属于光纤技术领域，特别涉及一种小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊技术。

(二)背景技术

1986年Askin(Optics Letters，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，实现了对微小粒子的三维空间控制。用一束强聚焦的激光实现了在x-y平面和沿z轴方向上同时形成梯度力势阱，从而稳定的俘获粒子。由于该光阱仅仅使用一束激光形成，所以称这种光阱为单光束梯度力光阱，也就是人们通常所说的光镊。

目前，人们可用光镊对细胞、细胞器及染色体进行捕获、分选、操纵、弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、测定马达蛋白作用力、及对膜体系进行定量研究。此外，光镊技术还可应用于微小颗粒的捕获、排列和显微制造等领域。

常规光镊仪器都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生物显微镜系统，被双向色分束器和高倍显微物镜会聚后形成光焦点光阱，由于梯度场光阱的作用将样品中的微粒捕获于焦点附近。

基于显微镜的常规光镊仪器体积庞大，样品移动自由度小。例如，陆思等人的发明专利申请“光波导光钳系统”(于2006年3月1日授权，公开号：CN 1740831A)采用特殊设计的光波导，来解决光镊的空间运动灵活性问题。由于其具有几何尺寸大和工作距离短的特性，因而限制了普通光镊的应用，使其很难操纵位于狭窄位置(如：深孔中)的微粒，也不易实现多光镊操纵。这些固有的缺点限制了其作为生物粒子微操纵工具的应用。新发展的光纤光镊技术较好地解决了这些问题。利用两根纤芯相对的单锥形透镜单模光纤光镊能够捕获微米量级的聚苯乙烯球。但利用双光纤构成的光镊要求光纤出射的光束在空间上对准、移动时两根光纤必须同时动作，操作上仍存在诸多不便。容易想象，如果能够利用单根光纤构成光镊，则操作会更为简单，系统成本也会大大降低。但利用普通单模光纤(如目前光通信普遍采用的SMF-28型标准单模光纤)所形成的光学梯度力势阱对粒子捕获作用不足以抵消粒子的重力，不能实现粒子的三维捕获。

2003年加拿大的R.S.Taylor(Optics Express，11，2775-2782，2003)等人利用腐蚀和镀膜的方法，制作了一种中空的金属化光纤探针尖，巧妙的利用针尖的静电引力与光的散射力达到平衡，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。但这种方法加工过程中需要进行多次腐蚀，步骤复杂，加工时间长，而且加工过程需要使用氢氟酸等有毒物质，所以对加工环境要求高。

2006年，本发明人报道了一种借助于融拉法制作的具有抛物线形微结构的单光纤针尖形光镊(Optics Express，14(25)，12510-12516，2006)，利用该抛物线形微结构单光纤光镊能对微小物体进行三维捕获和操纵。但这种抛物线形微结构单光纤针尖形光镊在结构方面，由于尖端较细，存在结构强度不够强的问题。另一方面，这种微结构单光纤针尖形光镊在进行批量加工时，很难保持其光学性能和力学性能的一致性。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可以实现与各种波长光源尾纤的低损耗连接、同时便于微小粒子的俘获与操纵的小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊。

本发明所设计的小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊的结构为：它是一种采用小芯径超高数值孔径的光纤加工，其光纤端被研磨成锥体形状且锥尖角度在30°～120°之间并通过热融扩散数值孔径匹配技术连接的小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊。

本发明所设计的这种超高数值孔径单模锥体光纤光镊具有以下四个方面的主要特征：

(1)光纤数值孔径大，超过普通标准单模光纤的若干倍；

(2)光纤芯径细，芯径远小于普通标准单模光纤；

(3)光纤端研磨成或蚀刻成锥体，便于微小粒子的俘获与操纵；

(4)通过热熔扩径技术，可以实现与各种波长光源尾纤的低损耗连接。

本发明的另一个目的在于提供一种可以实现本发明小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊的制作方法。

本发明产品的制备方法为：

1.光纤制备或选取：制备或选取数值孔径大于普通标准单模光纤3倍以上，并且光纤芯模场直径要远小于普通标准单模光纤的纤芯模场直径的超高数值孔径的光纤；

2.锥体加工：采用光纤端研磨技术或化学蚀刻技术，将光纤端加工成锥尖角度在30°～120°之间便于使用锥尖对微小粒子进行俘获和操纵的锥体；

3.与光源光纤进行连接与耦合：采用热融接的方法，将制作好的超高数值孔径锥体光纤光镊与标准光纤进行热融焊接，，然后对焊接部分进行涂覆；

4.封装：将研磨好的锥体光纤光镊端用不锈钢外套管进行保护，同时对连接好的裸光纤加装保护缆套，并在普通标准单模光纤端加装活动连接器。

本发明制备方法还有这样一些技术特征：

1、所述的制备或选用的光纤数值孔径大于0.33，光纤芯模场直径小于3微米；

2、所述的热融焊接步骤包括：首先对小芯径超高数值孔径光纤的焊接端进行切割、清洗，然后对该光纤端在对通光功率进行监测条件下实施加热使其纤芯发生热扩散，当热扩散达到芯场直径和数值孔径已经与光源光纤接近时对两光纤进行焊接，然后对焊接部分进行涂覆以完成超高数值孔径锥体光纤光镊与光源的低损耗连接。

本发明所提供的小芯径超高数值孔径光纤光镊可用于活体生物细胞的俘获或微小粒子的搬运与组装。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，对俘获粒子进行固定、搬运以及传递等操作。

实现光镊的基本原理是使处于光场中的粒子受到两种基本的光压力——沿入射光束方向的散射力和沿光强梯度方向的梯度力。当光场形成的梯度力大于其散射力和吸收产生的力时，对微粒起主导作用的梯度力将微粒捕获在光束焦点附近，形成由光学梯度场产生的光阱。

对于确定的粒子，光场的发散角度和光场的束腰是光场能否形成势阱的二个重要因素，基于射线模型的光镊理论能够利用解析的方法精确描述光场束腰的影响，当高斯光束束腰较大时则不能形成光势阱。归纳起来，必须有很小的束腰以及比较大的光束发散角，才能产生足够强的梯度力，将粒子稳定的束缚在光势阱中。

利用本发明提供的方法，可以将激光光源低损耗耦合到小芯径超高数值孔径光纤中，当光从小芯径超高数值孔径光纤出射后可形成腰斑直径很小的发散光场，能够形成稳定的三维光势阱，从而实现单光纤粒子俘获和操纵。

本发明的制备方法具有如下优点：

(1)采用光纤端研磨微加工技术制作光纤光镊，可以实现规模化加工，容易保证产品的标准化与一致性；

(2)光源的输出光纤通常为普通单模光纤，将其与一段小芯径超高数值孔径光纤通过相互连接和热融芯径匹配，可以降低连接损耗，结构简单，无需增加外部光学系统；

(3)采用本发明制备方法制作的单光纤光镊，对光源的传播模式无特殊要求；

(4)采用本发明制备方法制作的单光纤光镊操纵灵活，被捕获的样品可以自由移动，可以使光镊微操纵系统更加简单、方便、适用；

(5)所制作的单光纤光镊可以深入到样品室任何位置，大大提高了应用范围。

(四)附图说明

图1为小芯径超高数值孔径光纤端进行锥体光纤研磨的示意图；

图2为光纤端被制作成锥体结构的示意图；

图3为超高数值孔径，小芯径光纤在进行热融扩散时，其芯区折射率降低并向周围扩展的过程示意图；

图4是单光纤光镊工作原理意图；

图5为利用光纤光镊构成光的微小粒子操纵系统示意图。

(五)具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明：

实施例：利用小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊实现微小物体的搬运。

本实施例的小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊制备方法为：

1、光纤的制备或选取：光纤通信用普通标准单模石英光纤的数值孔径一般为0.11左右，在空气中光纤出射光场对应的最大发散角约为6.32°，在水中，约为4.74°，因此所形成的发散光场的梯度力势阱较浅，不足以克服粒子的重力。本发明在制作光纤光镊时，一方面将制备或选用小芯径超高数值孔径的光纤，其数值孔径一般大于普通光纤的3倍。本实施例中，采用数值孔径为0.35的超高数值孔径光纤，其在空气中出射光场的最大发散角为20.5°，在水中的发散角为15.3°，可以形成足够深的发散光场梯度力势阱。另一方面，本发明除了对光纤的数值孔径的要求外，还要求光纤具有足够小的纤芯模场直径。这也是为了进一步压缩光场的束腰直径，增强三维光场梯度力所必需的。因此，要求光纤芯模场直径要远小于普通单模光纤的纤芯模场直径。本实施例制作锥体光纤光镊的过程中，采用小芯径单模光纤的纤芯模场直径为2.6微米，而普通单模光纤的纤芯模场直径是9微米，前者远小于后者；

2、锥体的研磨：结合如图1所示的光纤端研磨技术，采用了光纤端微加工研磨系统和研磨砂纸颗粒度由粗到细的系列研磨过程，在实施微加工过程中，所加工的锥角可在30°～120°之间可调，本实施例将光纤端加工成如图2所示的锥体，所加工的锥角为60°。经过本实施例研磨技术加工的锥体光纤尖端具有较好的结构强度和刚性，同时将光纤端处理成锥体，作为光镊在使用时具有方便灵活的特点；

3、与光源光纤的连接与耦合：要确保上述光纤光镊得以实现，还需要解决如何将带尾纤的激光光源与具有超高数值孔径和小模场芯径的光纤实现低损耗连接与耦合的问题。本发明将采用热融接的办法，将制作好的小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊与纤芯模场直径9微米、数值孔径约为0.11的标准光纤进行热融焊接，结合图3，图3为超高数值孔径，小芯径光纤在进行热融扩散时，其芯区折射率降低并向周围扩展的过程示意图，由于在该热融扩散过程中，小芯径区折射率降低导致数值孔径降低，扩散又使得小芯径区进一步扩大，从而使得其模场与普通标准单模光纤的模场相互匹配，使得低损耗连接成为可能。在热融焊接过程中，由于小芯径超高数值孔径的光纤芯区的高掺杂浓度将在加热熔融过程中逐渐向周围扩散，因而，一方面使得数值孔径逐渐降低，另一方面，扩散也进一步使芯场直径得到扩展。在本实施例中，首先对小芯径超高数值孔径光纤进行加热，当热扩散达到一定程度后，芯场直径和数值孔径已经与连接光纤接近时，对两光纤进行焊接，然后对焊接部分进行涂覆，就完成了超高数值孔径锥体光纤光镊与光源的低损耗连接；

4、封装：封装过程包括(1)将研磨好的锥体光纤光镊端用一段不锈钢套管进行保护；(2)对连接好的裸光纤加装保护缆套进行保护；(3)在普通光纤端加装活动连接器，本实施例中采用FC/APC型活动连接器。

结合图4，激光从具有超高数值孔径光纤1的锥体3尖端出射后，在光纤尖端4处形成一个束腰ω₀极小的光场，这种具有很小的光束半径和大梯度分布特性的光场对置于其中的微小物体5产生一定的梯度力，该梯度力指向光最强处4，并且足以抵消光散射力和物体的重力，能够将微小物体捕获并约束于光纤针前端附近。

结合图5，本实施例利用光纤光镊构成光的微小粒子操纵系统中，光源6使用波长λ＝980nm的激光器。光源6发出的光经过一个分光比为98∶2的光纤耦合器7后分为两束，其中一束用作功率检测8，另一束通过光纤1传输到抛物线形微结构单光纤光镊。光纤光镊安装在一个可三维平动、一维转动的机械调节架9上，通过该机械调节架能够调节光纤在样品池10内的插入位置、插入深度和插入角度。杆品池10置于一个倒置生物显微镜的载物台11上，图像经过一个红外滤光片12后由显微镜物镜13成像于CCD14上进行采集。

用显微镜的载物台11将物品5移入视野中，然后将调节好插入角度的单光纤光镊1移入视场，并使之与待捕获样品处于同一平面，将光纤光镊移近物品5并调节光功率即可实现捕获。捕获成功后样品将不再随显微镜载物台11移动。

Claims (4)

1.一种小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊，其特征在于它是一种采用小芯径超高数值孔径的光纤加工，其光纤端被研磨成锥体形状且锥尖角度在30°～120°之间并通过热融扩散数值孔径匹配技术连接的小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊。

2.一种小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊的制作方法，其特征在于制作方法步骤包括：

2.1、光纤制备或选取：制备或选取数值孔径大于普通标准单模光纤3倍以上，并且光纤芯模场直径要远小于普通标准单模光纤的纤芯模场直径的超高数值孔径的光纤；

2.2、锥体加工：采用光纤端研磨技术或化学蚀刻技术，将光纤端加工成锥尖角度在30°～120°之间的锥体；

2.3、与光源光纤进行低损耗连接与耦合：采用热融接的方法，将制作好的超高数值孔径锥体光纤光镊与标准光纤进行热融焊接，然后对焊接部分进行涂覆；

2.4、封装：将研磨好的锥体光纤光镊端用不锈钢外套管进行保护，同时对连接好的裸光纤加装保护缆套，并在普通标准单模光纤端加装活动连接器。

3.根据权利要求2所述的小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊的制作方法，其特征在于所述的制备或选用的光纤数值孔径大于0.33，光纤芯模场直径小于3微米。

4.根据权利要求2或3所述的小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊的制作方法，其特征在于所述的热融焊接步骤包括：首先对小芯径超高数值孔径光纤的焊接端进行切割、清洗，然后对该光纤端在对通光功率进行监测条件下实施加热使其纤芯发生热扩散，当热扩散达到芯场直径和数值孔径已经与光源光纤接近时对两光纤进行焊接，然后对焊接部分进行涂覆以完成超高数值孔径锥体光纤光镊与光源的低损耗连接。

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