CN101236274A - 基于三芯光纤的光学微手 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于三芯光纤的光学微手及其制造方法。所述的光纤包括三芯光纤和耦合连接于三芯光纤尾端的单芯光纤，三芯光纤与单芯光纤是通过焊接后在焊点处实施加热熔融拉锥实现连接的，三芯光纤的另一端是通过对光纤端进行研磨加工或加热施行熔融拉锥后在尖端进行烧结的方法制作成锥体的。本发明针对现有技术的不足和缺陷，公开了一种基于三芯光纤的光学微手。这种光学微手是在三芯光纤的基础上，通过对光纤端的研磨加工或拉锥，利用外部折射、内部反射与外部折射联合作用以及锥体渐变波导引导等多种方式，可形成交叉组合光场。进而在组合光场的交汇顶点处，形成一个三维光学梯度力势阱，可实现微小粒子的三维捕获。

Description

基于三芯光纤的光学微手

(一)技术领域

本发明涉及的是一种光学微手，特别涉及一种基于三芯光纤的光学微手。

(二)背景技术

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。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，从而稳定的俘获住粒子。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[A.Constable，J.Kim，J.Mervis，F.Zarinetchi，and M.Prentiss，Demonstration of a fiber-optical light-force trap，Opt.Lett.18，1867-1869，1993]，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，价格昂贵，样品移动自由度小。其几何尺寸大和工作距离短特性，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[E.R.Lyons and G J.Sonek，Confinement and bistability in a taperedhemispherically lensed optical fiber trap，Appl.Phys.Lett.66，1584-1586，1995]。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，利用三根纤芯相对的单锥形透镜单模光纤光镊，通过控制三个锥体光纤的输出功率能够实现对称塑性微物体的逆时针和顺时针旋转。但利用双光纤或多光纤构成的光镊要求光纤出射的光束在空间上对准、移动时物体时所有光纤必须同时动作，而且随着使用光纤数目的增多，光纤光镊的尺寸也在迅速增加，所以实现手段上和对物体的操作上仍存在诸多不便。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。但该技术给出的光镊的刚度性较差，难于满足高稳定性操作。为了将多光镊进行组合，公开号为CN1740831A的专利给出了一种将平面或立体多通道组合光波导用于光镊的技术，尽管上述由光波导构成的光镊在先技术具有一定的优点，但仍然存在一些不足。例如，(1)光波导体积与光纤相比尺寸相对较大；(2)所采用的光波导弯折处会导致较大的光功率损耗；(3)三维立体光波导制备技术相对复杂；(4)将多根光纤与光波导进行互连具有一定的困难和不便。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种利用外部折射、内部反射与外部折射联合作用以及锥体渐变波导引导等多种方式，形成交叉组合光场的基于三芯光纤的光学微手。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的基于三芯光纤的光学微手包括光纤，所述的光纤包括三芯光纤和耦合连接于三芯光纤尾端的单芯光纤，三芯光纤与单芯光纤是通过焊接后在焊点处实施加热熔融拉锥实现连接的，三芯光纤的另一端是通过对光纤端进行研磨加工或加热施行熔融拉锥后在尖端进行烧结的方法制作成锥体的。

本发明的基于三芯光纤的光学微手的技术特征还包括：

1、所述的锥体是通过对光纤端的研磨加工形成的圆锥形，半锥角α控制在π/2-arcsin(n_liquid/n_core)＜α＜π/2的范围内。

2、所述的锥体是通过对光纤端的研磨加工形成的圆台形，半锥角α控制在0＜α＜π/2-arcsin(n_liquid/n_core)的范围内。

3、所述的锥体是通过对光纤端的加热施行熔融拉锥后在尖端烧结的方法加工形成的锥体，锥体尖端处有直径在6-8微米的微型半球透镜。

4、所述的三芯光纤光镊的光源是通过将该三芯光纤的输入端与光源的具有普通单芯光纤输出端进行焊接并在焊点处实施加热拉锥来实现与光源耦合连接的。

5、所述的基于三芯光纤的光学微手，在三芯光纤与单芯光纤的耦合区外套有厚壁石英毛细套管，毛细套管两端与光纤接触处采用对石英进行局部加热熔融实现封闭的。

6、所述的基于三芯光纤的光学微手，三芯光纤的纤芯是分布在以光纤轴心为中心的圆环上的三芯光纤，三根光纤芯排列成正三角形、直角三角形或任意三角形中的一种。

7、所述的基于三芯光纤的光学微手，三芯光纤中每根纤芯的形状是圆形的、方形的或长方形的一种。

8、所述的基于三芯光纤的光学微手，三芯光纤的纤芯直径是小芯径单模光纤或大芯径多模光纤中的任一种。

本发明针对现有技术的不足和缺陷，公开了一种基于三芯光纤的光学微手。

这种光学微手是在三芯光纤的基础上，通过对光纤端的研磨加工或拉锥，利用外部折射、内部反射与外部折射联合作用以及锥体渐变波导引导等多种方式，可形成交叉组合光场。进而在组合光场的交汇顶点处，形成一个三维光学梯度力势阱，可实现微小粒子的三维捕获。其主要特征在于：(1)这种光学微手是在三芯光纤的基础上，通过对光纤端的研磨加工或加热施行熔融拉锥后在尖端烧结的方法制做而成；(2)加工后的光纤端利用外部折射、内部反射与外部折射联合作用以及渐变锥体波导引导等多种方式，可形成交叉组合光场；(3)在交叉组合光场的交汇顶点处，形成一个三维光学梯度力势阱，可实现微小粒子的三维捕获；(4)该三光场组合光学微手的三个独立光场输出光功率可调节，类似于人手的手指的指力调节，从而能够实现微小粒子握持方向控制；(5)该三光场组合光学微手具有周期性调节三光场强弱的功能，从而能够实现微小粒子的旋转操作。

不论是由研磨形成的还是由拉制形成的光纤锥体都能够形成一个稳定的三维交叉锥形光场的所构成的光势阱，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。

这种基于三芯光纤的光学微手的主要优点是：

1、其三束光所形成的组合光场中的每束光均可进行强度调整(犹如人的每个手指的作用力可以调整一样)，从而可以实现对于所俘获的微小粒子进行抓取方位调整或对于俘获的非球形微小粒子实施旋转操作。扩大了传统光镊的功能，极大的增强了光镊对微小物体的操纵能力和灵活性，使其初步具有了人手的一些技术特征；

2、光学微手的三维捕获力大，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；

3、由于极大的减小了光源功率，因而降低了由光能辐射导致光学微手附近温度上升对活体微生命的影响；

4、由于降低了由光能辐射导致的光学微手附近温度局部上升而引起的热对流，因而进一步减弱了局部热对流对捕获到的微小粒子扰动，提高了系统的稳定性。

(四)附图说明

图1-a、图1-b、图1-c是三种典型的具有三芯结构的光纤横断面图。

图2是本发明的第一种实施方式的结构示意图；

图3是本发明的第二种实施方式的结构示意图；

图4是本发明的第三种实施方式的结构示意图；

图5和图6是三芯光纤与标准单模光纤的光耦合连接示意图。

(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2，本发明的第一种实施方式的光学微手包括光纤，所述的光纤包括三芯光纤和耦合连接于三芯光纤尾端的单芯光纤，三芯光纤的前端通过对光纤端的研磨加工或加热施行熔融拉锥后在尖端烧结的方法制做成锥体。其中：1为具有三芯结构的光纤；2为处于正三角形分布状态的光纤芯；3为研磨成锥体的光纤端；4是裸露在锥体表面的处于正三角形分布状态的光纤芯；5是三出射光场交汇区；6是三纤芯出射的远场。所述的锥体是通过对光纤端的研磨加工形成的圆锥形，半锥角α控制在π/2-arcsin(n_liquid/n_core)＜α＜π/2的范围内。

本实施方式的光学微手的制作过程：

步骤1，锥体研磨：取一段三芯光纤，将其一端研磨成圆锥体形状，为了保证出射光经过圆锥面折射后能够形成相互交叉的组合光束，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°-90°之间。

步骤2，锥体抛光：将上述研磨好的光纤锥体进行抛光，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进行焊接。同时结合图5和图6，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，直到耦合到具有三芯光纤的光功率达到最大时为止；

步骤4，封装保护：将石英毛细套管调至锥体耦合区13处，然后在毛细套管两端用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后，就完成了三芯光纤锥体折射型光学微手的制作。其中1为具有三芯结构的光纤；2为处于正三角形分布状态的光纤芯；3为研磨成锥体的光纤端；4是裸露在锥体表面的处于正三角形分布状态的光纤芯；5是出射光场组合交汇区；6是三纤芯出射的远场光锥。

结合图3，本发明的第二种实施方式与第一种实施方式的区别在于所述的锥体是通过对光纤端的研磨加工形成的圆台形，半锥角α控制在0＜α＜π/2-arcsin(n_liquid/n_core)的范围内。其具体实施过程如下：

步骤1，锥体研磨：取一段三芯光纤，将其一端研磨成圆台形状，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，形成相互交叉的组合光束，半锥角α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0-26.3°之间。

步骤2，锥体抛光：将上述研磨好的光纤锥形圆台进行抛光，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进行焊接。在如图5、6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多芯光纤的光功率达到最大时为止；

步骤4，封装保护：将石英毛细套管调至图6所示的锥体耦合区13处，然后在毛细套管两端用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后，就完成了具有锥形圆台体的全内反射一一折射型光纤光学微手。其中1为具有三芯结构的光纤；2为处于正三角形分布状态的光纤芯；3为研磨成锥形圆台体的光纤端；4是裸露在锥形圆台体表面的处于正三角形分布状态的光纤芯；5是三出射光场组合交汇区；6是三纤芯出射的远场光锥；7是经由圆锥壁全反射后到达锥形圆台体上端面的出射光场分布区。

结合图4，本发明的第三种实施方式与第一、二种实施方式的区别在于，所述的锥体是通过对光纤端的加热施行熔融拉锥后在尖端烧结的方法加工形成的锥体，锥体尖端处有直径在6-8微米的微型半球透镜。其实施过程如下：

步骤1，锥体拉制：取一段三芯光纤，将其涂敷层祛除然后置于光纤拉锥机上，加热至软化状态，然后进行拉锥，为了保证光能量在三芯渐变锥体波导的传输过程满足(1)绝大部分保持在光纤芯中而不转化为辐射模辐射到纤芯外；(2)在保证条件(1)的情况下，是光纤锥体外形具有较大的锥度，以便出射光能够形成一个具有较大发散角的交叉光场。因此在锥体的拉制过程中，要进行适当的控制，锥体变化既不能过陡，以便减少辐射损耗。所拉制的锥体角又不能过小，以保证出射光场组合后具有较大的发散角；

步骤2，锥体切割：取下拉制好的锥体，在显微镜下进行切割后；

步骤3，尖端微透镜制备：将切割好的渐变光纤锥体的切割尖端进行烧结，由于适应玻璃在熔融状态下的表面张力作用的结果，就在锥体尖端处自然形成了一个直径在6-8微米的微型半球透镜；该微透镜可进一步压缩三光纤芯出射的光场，从而制成了基于三芯光纤的，在渐变锥体尖端具有微型半球透镜的光学微手；

步骤4，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进行焊接。在如图5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多芯光纤的光功率达到最大时为止；

步骤5，封装保护：将石英毛细套管调至图6所示的锥体耦合区13处，然后在毛细套管两端用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后，就完成了如图4所示的在渐变锥体尖端具有微型半球透镜的光学微手。其中1为具有三芯结构的光纤；2为处于正三角形分布状态的光纤芯；3为拉制成渐变锥体的光纤端；5是出射组合光场交汇区；6是三纤芯出射的远场光锥；8是锥体尖端烧结形成的微型半球透镜。

Claims (9)

1、一种基于三芯光纤的光学微手，其特征是：所述的光纤包括三芯光纤和耦合连接于三芯光纤尾端的单芯光纤，三芯光纤与单芯光纤是通过焊接后在焊点处实施加热熔融拉锥实现连接的，三芯光纤的另一端是通过对光纤端进行研磨加工或加热施行熔融拉锥后在尖端进行烧结的方法制作成锥体的。

2、根据权利要求1所述的基于三芯光纤的光学微手，其特征是：所述的锥体是通过对光纤端的研磨加工形成的圆锥形，半锥角α控制在π/2-arcsin(n_liquid/n_core)＜α＜π/2的范围内。

3、根据权利要求1所述的基于三芯光纤的光学微手，其特征是：所述的锥体是通过对光纤端的研磨加工形成的圆台形，半锥角α控制在0＜α＜π/2-arcsin(n_liquid/n_core)的范围内。

4、根据权利要求1所述的基于三芯光纤的光学微手，其特征是：所述的锥体是通过对光纤端的加热施行熔融拉锥后在尖端烧结的方法加工形成的锥体，锥体尖端处有直径在6-8微米的微型半球透镜。

5、根据权利要求1-4任何一项所述的基于三芯光纤的光学微手，其特征在于该三芯光纤光镊的光源是通过将该三芯光纤的输入端与光源的具有普通单芯光纤输出端进行焊接并在焊点处实施加热拉锥来实现与光源耦合连接的。

6、根据权利要求1-4任何一项所述的基于三芯光纤的光学微手，其特征是：在三芯光纤与单芯光纤的耦合区外套有厚壁石英毛细套管，毛细套管两端与光纤接触处采用对石英进行局部加热熔融实现封闭的。

7、根据权利要求1-4任何一项所述的基于三芯光纤的光学微手，其特征是：所述的三芯光纤的纤芯是分布在以光纤轴心为中心的圆环上的三芯光纤，三根光纤芯排列成正三角形、直角三角形或任意三角形中的一种。

8、根据权利要求1-4任何一项所述的基于三芯光纤的光学微手，其特征是：所述的三芯光纤中每根纤芯的形状是圆形的、方形的或长方形的一种。

9、根据权利要求1-4任何一项所述的基于三芯光纤的光学微手，其特征是：所述的三芯光纤的纤芯直径是小芯径单模光纤或大芯径多模光纤中的任一种。

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