CN101149449A - 用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊及其制作方法。它包括光纤，所述的光纤是在光纤公共包层中含有两个独立光纤芯的双芯光纤，光纤的一端为熔融拉锥及烧结而成的锥体光纤尖，锥体光纤尖的端部带有微透镜。利用本发明的方法制作的双芯光纤光镊，它存在两个光场转换区，一个是双光束交叉大角度导引汇集区，通过锥角快速变化的锥体光纤改变了双芯光纤每个纤芯中光波的传导方向，将两束光导引到光纤锥体尖端；另一个是形成大梯度光场的光场压缩区，通过光纤尖端微透镜实现两束光的光场压缩。本发明所提供的双芯光纤光镊可用于活体生物细胞的俘获或微小粒子的固定、搬运与组装。

Description

用来俘获微小粒子的双芯单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，具体地说是一种双芯光纤光镊，本发明也涉及之中光镊的制作方法。属于光纤技术领域。

(二)背景技术

自从Ashkin(1970，Phys.Rev.Lett.，24：156-159；1987，Nature，330：769-771)首次发现光场梯度力可捕获微小粒子并提出光镊这一概念以来，光镊技术已广泛应用于各种领域中。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。随着研究的深入以及技术的进步，光镊技术也已经由最初的单光束光镊发展到全息光镊技术、分时扫描光镊技术、特殊光束光镊技术等。

光镊是利用光场强度空间变化形成的梯度力把微粒稳定地捕获在光场最强处，即光束的焦点位置，当激光束移动时就可以带动微粒一起运动，实现对微粒的精密操控。传统光镊是基于光学显微镜系统构建的，它通过显微物镜将激光光束聚焦，利用聚焦中心附近的梯度力场形成光阱，实现对微粒的捕获和操纵。传统光镊技术上已经相当成熟和完善，但其结构复杂，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，样品移动自由度小。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。但一个单锥形透镜光纤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等人(Opt.Exp.11：2775-2782，2003)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年发明人提出了基于熔融拉锥方法的光纤光镊制作技术和抛物线形状的单光纤光镊，并申请了名称为“抛物线形微结构单光纤光镊的熔拉制作方法”的发明专利(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，由于光纤中只含有一个纤芯，传输光从抛物线结构的光纤尖端出射后，在纤针尖端处形成的束腰光场的束腰半径受到限制。因此，其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。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种捕获力大、体积小，结构简单，制作容易，操作方便，样品移动自由度大，造价低廉，可多光镊联合操作的用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊本发明的目的还在于提供一种用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊的制作方法。

本发明的目的是这样实现的：用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊的组成包括光纤，所述的光纤是在光纤公共包层中含有两个独立光纤芯的双芯光纤，光纤的一端为熔融拉锥及烧结而成的锥体光纤尖，锥体光纤尖的端部带有微透镜。

本发明的用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊还可以包括这样一些特征：在双芯光纤的非锥体光纤尖的一端焊接有单芯光纤，并在焊接点处有拉锥形成的锥体光耦合区。

本发明的用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊是采用这样的方法来制作的：

采用光纤公共包层中含有两个独立光纤芯的双芯光纤，首先对双芯光纤实施熔融拉锥，形成一个锥体形状光纤尖，其次是对所拉制的锥体光纤进行烧结，在尖端生成一个微透镜。

本发明的制作方法还可以包括：将双芯光纤的非锥体的一端与单芯光纤焊接，并在焊接点处加热同时实施拉锥，形成锥体光纤的光耦合区。

本发明的制作方法的具体步骤为：

1、取一段带有聚酯涂层的双芯光纤，光纤长度一般在1米以上，在其中点位置，剥除光纤的涂覆层20～30毫米，使用无纺布蘸酒精和乙醚混合液，反复擦拭光纤的外包层，直接清洁后备用；

2、将清洁后的光纤水平放入待加热装置的两个V型槽内，其中剥除外涂敷层的光纤置于两V型槽之间，通过真空吸附或机械压紧将双芯光纤固定于V型槽内部，通过整体移动两V型槽，调整光纤使其置于加热装置加热区的合适位置；

3、利用加热装置对裸露的双芯光纤进行一段时间的预加热，加热区的形成可以采用氢氧气燃烧、电弧持续放电、电热陶瓷加热、石墨加热以及高功率激光加热，加热区温度要求在1600～1900℃之间；

4、对预加热的光纤进行持续加热的同时，通过V型槽施加水平的轴向拉力，V型槽作水平分离运动，使光纤局部软化部分快速被拉细，直至被光纤断裂，形成一个锥体形状的光纤尖；

5、控制光纤V型槽的运动方向，使锥形光纤尖重新置于加热区内，精确控制光纤的位置，使锥体光纤的尖端处于加热装置形成的温场最高点，利用加热装置在瞬间内对光纤的尖端进行迅速的加热，使光纤尖端融化并在空气中依靠自然冷却，由于光纤的表面张力作用，自然形成一个具有光场压缩作用的微透镜。

6、通过控制拉椎速度可以调整锥体光纤的拉制形状和锥角大小，优化双芯光纤光镊的力学捕获特性。

利用本发明的方法制作的双芯光纤光镊，它存在两个光场转换区，一个是双光束交叉大角度导引汇集区，通过锥角快速变化的锥体光纤改变了双芯光纤每个纤芯中光波的传导方向，将两束光导引到光纤锥体尖端；另一个是形成大梯度光场的光场压缩区，通过光纤尖端微透镜实现两束光的光场压缩。

该双芯光纤光镊光场梯度的分布可通过调整锥体光纤的拉制形状来控制锥角的大小来实现，梯度光场力的大小可通过调整输入光功率的大小来进行控制。

本发明所采用的加热装置可以是氢氧火燃加热装置、电火弧加热装置、电热陶瓷或石墨加热装置，也可以是大功率激光加热装置。此外，本发明不仅适于双芯光纤光镊，而且对于超过两个纤芯的多芯光纤同样适用。

本发明所公开的双芯光纤光镊的制作过程与工作原理如下所述：

利用公共包层中包含两个光纤芯的双芯光纤制作光镊，采用温度加热的方法对双芯光纤实施熔融拉锥后，形成一个双光束大角度导引汇集区，然后对所形成的光纤尖端再进行烧结，从而制作成在尖端带有一个微透镜的光纤尖。在双芯光纤中传导的两光束首先通过锥角快速变化的锥体区，然后再经过微透镜形成的光场压缩区，就形成了一种双光束组合的大梯度汇聚光场，由于该光纤尖端的双光束大数值孔径组合而成的汇聚光场，与传统单光纤光镊相比，可形成具有更大数值孔径、更小束腰半径的梯度光场，因此具有更大的光场梯度力势阱。当光场形成的梯度力大于其散射力和吸收力时，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。光阱力可以帮助粒子克服自重，实现对微小粒子的单光纤三维俘获，并对其进行固定、搬运以及传递等操作。这种双芯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。与单芯光纤光镊相比，双芯光纤的纵向光阱力明显较大，这意味着，对于同样的介质球而言，双芯结构的光纤光镊能够以更小的光功率实现捕获，在应用中更具有优势。

本发明的优点在于：

1.本发明提出的双芯光纤光镊，由于在光镊的尖端形成了一种双光束组合的大梯度汇聚光场，与其它结构的单光纤光镊相比，提高光镊的捕获力，改善了光纤光镊的捕获特性。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。

2.本发明提出的双芯光纤光镊，具有尺寸小，操纵灵活，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；

此外，基于该双芯光纤光镊它构造的光镊微操纵系统，结构简单、造价低，容易实现多光纤光镊集成等优点；

3.本发明提出的双芯光纤光镊，可以通过控制锥体光纤的拉制形状来控制锥角的大小，改变光纤光镊的梯度光场分布，实现捕获力大小和粒子捕获特性的调整，灵活可变；

4.在实现本发明过程中，所提出的从单芯光纤向双芯光纤中的光功率注入与分配方法，具有操作简便，结构简单，损耗低，偏振无关等优点。

综上所述，与其他的单光纤光镊相比，双芯光纤光镊的改进之处主要体现在，(1)发明了利用双芯光纤替代了单芯光纤，有利于激发大梯度的捕获光场；(2)基于熔拉锥体加工和烧结工艺方法，发明了具有光场导引汇集区和光场压缩区的特殊形状的光纤探针；(3)发明了焊接熔拉锥体技术，实现双芯光纤传输光场的同时激发。基于上述改进，实现了光纤光镊捕获力的提高和捕获特性的改善。

(四)附图说明

图1是本发明的双芯光纤光镊结构示意图。

图2是本发明的双芯光纤光镊捕获微小粒子的示意图。

图3是本发明的光源注入双芯光纤的熔融拉锥耦合方法意图。

图4是本发明的光源注入双芯光纤光镊系统示意图。

(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，本发明的用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊的组成包括在光纤公共包层中含有两个独立光纤芯1的双芯光纤2，光纤的一端为熔融拉锥及烧结而成的锥体光纤尖3，锥体光纤尖的端部带有微透镜4。其中5为单光纤光镊形成的用于捕获微小粒子的梯度光场。

图2是本发明的来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊捕获微小粒子的示意图。图中6为被单光纤光镊捕获的微小粒子。

图3是本发明的光源注入双芯光纤的熔融拉锥耦合方法意图。图中，光源7发出的光，从单芯光纤8通过熔融拉锥耦合区9注入到双芯光纤2的两个纤芯1，形成传输光10。

图5是本发明的双芯光纤光镊系统示意图。光源11为单纤双芯光纤光镊12提供光能量。

以下描述的是基于双芯光纤的单光纤光镊系统实现微小粒子捕获的实施方案。在本实施方案中，实现双芯光纤光镊捕获微小粒子的难点是如何将大能量的光源注入并耦合到双芯光纤中，从而产生大梯度的光场。

在实施本发明的过程中，采用的单芯光纤到双芯光纤的光功率注入与耦合方法如图3所示。其方法如下：

1.首先，将半导体光源7输出的大功率激光耦合到单模单芯光纤8，要求在光纤中传输光的功率在0～120mW可调；单芯光纤的选择需要根据光源输出波长的大小，例如选用Corning公司生产的SMF-28单模光纤、HI980单模光纤，或者Nufern公司生产的630HP单模光纤。

2.其次，将单芯光纤8与双芯光纤2实施焊接，光纤焊接参数的选择与选用的单芯光纤和双芯光纤有关，典型的焊接参数为基准电流2～3毫安，预熔电流4～5毫安，预熔时间100～150毫秒，熔接电流6～8毫安，熔接时间120～160毫秒，光纤熔接给进量25～35微米，光纤端面的角度偏差小于2°。在焊接点处，由于单芯光纤与双芯光纤中光纤芯的位置相互偏离，因此传输光束无法直接从单芯光纤进入双芯光纤；

3.第三，利用熔融拉锥方法，在光纤焊接点处对光纤加热，同时施加水平拉力，对焊接光纤实施拉锥，其中锥体长度控制在12～18mm之间，形成锥体光纤的光耦合区9。单芯光纤8中的传输光在锥形耦合区内通过模式转换，在双芯光纤的每个芯内重新建立传输模，实现功率的注入与分配。在输出端检测双芯光纤每个芯的注入功率10，通过控制锥体耦合区的长度，可以控制双芯光纤中光功率注入大小和分配比例。使双芯光纤中的注入为最大，并且两纤芯的光功率尽量一致。

4.第四，对锥体形状的耦合部位进行封装保护，防止光纤中的注入功率和纤芯的分光比发生变化。封装的方法：(1)取一只石英半管，将其置于锥体耦合区的正下方，使其包裹住锥体耦合区但不发生接触，并且让锥体耦合区位于石英半管的正中心；(2)在石英半管的两端点少量混合的环氧树脂胶，使环氧树脂胶覆盖锥体耦合部两端的单芯光纤和双芯光纤(注意尽量保持半管不动)；(3)开始加热，等到环氧树脂胶的颜色变为红褐色，表示固化好，取出带有石英半管的锥体耦合部组件；(4)将上述组件，穿入热缩套管并加热；(5)外套不锈钢管作后封装，并用硅胶填装，再放置在70℃烘箱中烘烤2小时，即完成全部封装。

5.最后，采用加热的方法对双芯光纤实施熔融拉锥，形成一个双光束大角度导引汇集区；然后对所形成的光纤尖端再进行烧结，从而制作成在尖端带有一个微透镜的光纤尖，微透镜直径可控制在5～10微米之间。制作方法和步骤详见发明内容。

基于双芯光纤光镊构造的微小粒子捕获系统的实施方案，结合图4，由光源11发出的大能量光束7，耦合进入单芯光纤8中。输入光经过锥体耦合区9后，实现了双芯光纤的光功率的低损耗注入与耦合。在双芯光纤2的每个纤芯1中激励起能量大体一致的传输光束。此传输光束经过双芯光纤的大角度锥体汇集区域3和光纤尖端微透镜4区域后，在出射端形成一个大梯度光场，构成光阱，实现对微小粒子的三维捕获。此实施方案可对微小粒子进行固定、搬运以及传递等操作，可用于活体生物细胞的俘获或微小粒子的搬运与组装。

Claims (7)

1.一种用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊，它包括光纤，其特征是：所述的光纤是在光纤公共包层中含有两个独立光纤芯的双芯光纤，光纤的一端为熔融拉锥及烧结而成的锥体光纤尖，锥体光纤尖的端部带有微透镜。

2.根据权利要求1所述的用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊，其特征是：在双芯光纤的非锥体光纤尖的一端焊接有单芯光纤，并在焊接点处有拉锥形成的锥体光耦合区。

3.根据权利要求1所述的用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊，其特征是：所述的光纤还可以是公共包层中含有多个独立纤芯的多芯光纤。

4.一种用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊的制作方法，其特征是：采用光纤公共包层中含有两个独立光纤芯的双芯光纤，首先对双芯光纤实施熔融拉锥，形成一个锥体形状光纤尖，其次是对所拉制的锥体光纤进行烧结，在尖端生成一个微透镜。

5.根据权利要求4所述的用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊的制作方法，其特征是：还可以包括将双芯光纤的非锥体的一端与单芯光纤焊接，并在焊接点处加热同时实施拉锥，形成锥体光纤的光耦合区。

6.根据权利要求4所述的用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊的制作方法，其特征是具体步骤及这些步骤的组合：

(1)取一段带有聚酯涂层的双芯光纤，光纤长度一般在1米以上，在其中点位置，剥除光纤的涂覆层20～30毫米，使用无纺布蘸酒精和乙醚混合液，反复擦拭光纤的外包层，直接清洁后备用；

(2)将清洁后的光纤水平放入待加热装置的两个V型槽内，其中剥除外涂敷层的光纤置于两V型槽之间，通过真空吸附或机械压紧将双芯光纤固定于V型槽内部，通过整体移动两V型槽，调整光纤使其置于加热装置加热区的合适位置；

(3)利用加热装置对裸露的双芯光纤进行一段时间的预加热，加热区的形成可以采用氢氧气燃烧、电弧持续放电、电热陶瓷加热、石墨加热以及高功率激光加热，加热区温度要求在1600～1900℃之间；

(4)对预加热的光纤进行持续加热的同时，通过V型槽施加水平的轴向拉力，V型槽作水平分离运动，使光纤局部软化部分快速被拉细，直至被光纤断裂，形成一个锥体形状的光纤尖；

(5)控制光纤V型槽的运动方向，使锥形光纤尖重新置于加热区内，精确控制光纤的位置，使锥体光纤的尖端处于加热装置形成的温场最高点；利用加热装置在瞬间内对光纤的尖端实施迅速加热，使光纤尖端融化并在空气中依靠自然冷却，自然形成一个具有光场压缩作用的微透镜。

(6)通过控制拉椎速度可以调整锥体光纤的拉制形状和锥角大小，优化双芯光纤光镊的力学捕获特性。

7.根据权利要求4所述的用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊的制作方法，其特征是：适用于光纤公共包层中含有两个以上独立光纤芯的多芯光纤光镊的制作。

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