CN101887147A - 四芯光纤组合光镊及其光栅动力控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种四芯光纤组合光镊及其光栅动力控制方法。在四芯光纤的四根纤芯上预先写入光栅常数不同的两组光纤光栅，四芯光纤的一端与标准单模光纤的一端以热熔融拉椎的方式耦合连接，标准单模光纤的另一端通过波分复用器与两个激光光源连接，四芯光纤的另一端采用精细研磨的方式加工制备成椎体结构。调节两激光光源的输入光功率，改变两组光路中光功率的比例，实现吞吐操作。本发明将四个光波导集成于一根光纤中，在节约了物理空间的同时，大幅降低系统输入光功率，可减小对待捕获粒子的伤害；四芯光纤组合光镊对微粒的捕获更加灵活、准确，具备可调节性，大大提高了光纤组合光镊技术的实用性。
Description
技术领域
本发明属于光纤技术研究领域，涉及的是一种四芯光纤组合光镊，本发明也涉及一种四芯光纤组合光镊的光阱力的控制方法。
背景技术
自从1986年Askin在Opt.Lett.11，288-290上发表文章“Observation of a single-beamgradient force optical trap for dielectric particles”，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，因为此光束可以实现空间对微小粒子的夹持，因此得名“光镊”。它是利用光强度分布的梯度力和散射力俘获和操纵微小粒子的工具。光镊技术发展迅速，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。
由传统光镊发展至光纤光镊技术以来，产生多种光纤光镊系统，例如：Lyons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，这篇文章发表在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；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。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和公开号CN101236274三芯光纤光学微手。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能在节约物理空间的同时，大幅降低系统输入光功率，减小对待捕获粒子的伤害；对微粒的捕获更加灵活、准确，可调节性大的四芯光纤组合光镊。本发明的目的还在于提供一种四芯光纤组合光镊的光栅动力控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的四芯光纤组合光镊为：在四芯光纤的四根纤芯上预先写入光栅常数不同的两组光纤光栅，四芯光纤的一端与标准单模光纤的一端以热熔融拉椎的方式耦合连接，标准单模光纤的另一端通过波分复用器与两个激光光源连接，四芯光纤的另一端采用精细研磨的方式加工制备成椎体结构。
本发明的四芯光纤组合光镊还可以包括：
所述的四芯光纤的四个光纤芯，彼此距离相同，剖面分布呈正四边形。
所述的两个激光光源的光波长不相等，第一激光光源的光波长为λ1，第二激光光源的光波长为λ2。
所述的波分复用器后与环行器连接。
所述的环行器的输出端口与普通标准光纤连接。
所述在四芯光纤的四根纤芯上预先写入光栅常数不同的两组光纤光栅是指，在一对纤芯上写入光栅常数为Λ1的光栅，完全反射波长为λ2的第二激光光源的光，即只允许波长为λ1的第一激光光源的光；另一对纤芯上写入光栅常数为Λ2的光栅，完全反射波长为λ1的第一激光光源的光，即只允许波长为λ2的第二激光光源的光通过。
所述四芯光纤一端的锥形结构的角度α满足π/2-arcsin(nliquid/ncore)＜α＜π/2。
所述四芯光纤一端的锥形结构，两对纤芯的研磨角度不同。
本发明的四芯光纤组合光镊的光栅动力控制方法为：在四芯光纤的四根纤芯上预先写入光栅常数不同的两组光纤光栅，四芯光纤的一端与标准单模光纤的一端以热熔融拉椎的方式耦合连接，标准单模光纤的另一端通过波分复用器与两个激光光源连接，四芯光纤的另一端采用精细研磨的方式加工制备成椎体结构构成四芯光纤组合光镊；调节两激光光源的输入光功率，改变两组光路中光功率的比例，实现吞吐操作。
研究组合光镊技术一个重要的难点在于组合光镊多个光阱力的操控问题，本发明提出了一种新型的基于四芯光纤的马赫-泽德相位调制技术实现组合光镊光阱力的控制。其优点和特点是：
1.本发明将四芯光纤引入光纤组合光镊控制系统，利用一根光纤中的四个光波导纤芯传输激光光束，在节约物理空间的基础上还极大的减小了系统的输入光功率，降低对微粒的伤害；
2.本发明结合光纤光栅光源选择特性，将集成在一根光纤中的四芯光纤光镊分立为两组，实现两组光镊光阱力的分离控制；
3.本发明将光纤光栅技术和光镊技术有效结合，简单、有效的控制三维出射光场光阱力的分布，实现光阱力的人为主观控制。
附图说明
图1四芯光纤光镊系统结构简图。
图2四芯光纤剖面图。
图3预先写入光纤光栅的四芯光纤。
图4普通单芯光纤与四芯光纤耦合连接示意图。
图5-6四芯光纤研磨形状示意图；其中图6是图5的左视图。
图7光源注入方式示意图。
图8非中心对称四芯光纤纤芯分布示意图。
图9(a)-(b)非中心对称四芯光纤研磨形状示意图；其中图9(b)是图9(a)的左视图。
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：
图1四芯光纤光镊系统结构简图。其中1为四芯微结构光纤，2-1和2-2均为光纤纤芯，3为预先写入光纤的光栅，4为输入光源1，光波长为λ1，5为输入光源2，光波长为λ2，6为波分复用器，7为环行器，8为导出的反射光，9为环行器与普通标准光纤的常规连接点，10为普通标准单模光纤，11为普通标准光纤与四芯光纤耦合连接点，12为相位调制用压电陶瓷，13为普通四芯光纤与预先写入光栅的四芯光纤耦合连接点，14为研磨获得光纤尖端。
图2四芯光纤剖面图。其中，2-1为位于对角位置的一组纤芯，2-2为位于另一对角位置的一组纤芯。
图3预先写入光栅的四芯光纤。其中，2-1和2-2分别为两组位于对角位置的纤芯，3-1为光栅常数为Λ1的光栅，3-2为光栅常数为Λ2的光栅。
图5普通单芯光纤与四芯光纤耦合连接示意图。其中，普通单芯标准光纤与四芯光纤之间通过热熔融拉锥的方式实现耦合，11代表耦合连接区域。
图6四芯光纤研磨形状示意图。为了实现光阱力的汇聚，四芯光纤需要进行研磨至特殊的角度，同时，为了实现上述所述光镊的吞吐及弹射功能，需要将光纤研磨至不同的角度α1、α2，以实现四芯光纤出射光束在空间不同位置15和16的汇聚，形成捕获区，粒子会在这两个位置实现稳定捕获，同时通过调节PZT，改变四光束马赫-泽德干涉仪中光束的传输相位，可以调节两捕获位置捕获力的大小，最终实现吞吐及弹射功能。
图7光源注入方式示意图。其中，引入环行器7的目的在于避免反射光返回光源输入激光器4和5中，损坏激光器。
图8四芯光纤的另外一种结构，这里光纤芯2-1和2-2分布不再中心对称。
图9采用中心不对称的四芯光纤进行研磨，当尖端研磨制相同角度时，两组光纤芯以相同的角度出射，但由于相对光纤轴线的距离不同，在轴线上的汇聚位置也将分离，如图15、16所示，同样可以实现对微粒的吞吐和发射功能。
四芯光纤1预先写入光栅常数不同的两组光纤光栅2；该四芯光纤1与标准单模光纤3以热熔融拉椎的方式耦合连接，标准单模光纤3的另一端通过波分复用器6和环行器7与激光光源4和5常规连接；四芯光纤的另一端采用精细研磨的方式加工制备成椎体结构。
用于构建该组合光纤光镊的四芯光纤1的四个光纤芯1-1和1-2，彼此距离相同，剖面分布呈正四边形；于构建该组合光纤光镊的光源4和5中，光源4的光波长为λ1，光源5的光波长为λ2；激光光源4和5，采用波分复用器6导入光镊系统中；波分复用器6后要与环行器7连接，以避免反射光8返回光源发生器4和5中；环行器8输出端口9与普通标准光纤10常规连接；四芯光纤1与普通光纤10通过熔融拉锥的方式在位置11处耦合连接；四个纤芯采用写光栅技术分别写入光栅常数为Λ1和Λ2的光栅，其中纤芯1-1写入光栅常数为Λ1的2-1，其中纤芯1-2写入光栅常数为Λ2的光栅2-2；光纤光栅2-1和2-2，其特征在于光栅2-1完全反射波长为λ2的光，即只允许波长为λ1的光通过；光栅2-2完全反射波长为λ1的光，即只允许波长为λ2的光通过；四芯光纤1前端经研磨制成一定锥形结构14，其角度α满足π/2-arcsin(nliquid/ncore)＜α＜π/2，以形成光学势阱，实现组合光镊捕获粒子；纤芯1-1和纤芯1-2的研磨角度不同，出射光场汇聚位置分离，以实现粒子在两个位置之间的移动。
本发明的具体制作步骤为：
实施例一：
步骤1，光栅写入：取一段四芯光纤，纤芯分布如图2所示，采用写光栅技术在光纤的纤芯上写入周期不同的两组光栅2-1和2-2，结合图3，其中光栅2-1的光栅常数为Λ1，完全反射光源波长为λ2的光，即只允许光波长为λ1的光通过，光栅2-2的光栅常数为Λ2，只允许光波长为λ2的光通过；
步骤2，耦合连接：结合图4，将制备好光栅的四芯光纤1的一端进行涂敷层祛除、切割，然后与普通光纤10热熔融拉锥耦合连接，过程中进行光功率监测，直到耦合到具有四芯光纤的光功率达到最大时为止；图中，1为四芯光纤，1-1为写入光栅2-1的纤芯，1-2为写入光栅2-2的纤芯。
步骤4，锥体制备：结合图5，将上述操作后的预先写入光栅的四芯光纤1的另一端经研磨制备成椎体形状，为了保证出射光经过研磨后斜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(nliquid/ncore)＜α＜π/2的范围内。对于纤芯折射率ncore＝1.4868，包层折射率ncladding＝1.4571，和光纤光镊所处的液体折射率nwater＝1.333的情况下，该半锥角的范围应控制在26.3°-90°之间。纤芯1-1和1-2研磨的锥角不同，分别为α1和α2，因而形成不同的光阱力作用区域15和16，即可实现两个稳定的光阱力捕获区；通过调节PZT相位调制系统12可以实现微粒在两个捕获区15和16之间的位置转换和粒子的发射。
步骤5，光源注入：结合图6，该光镊系统采用双光源工作装置，其中光源4的输出波长为λ1，光源5的输出波长为λ2。两光源采用波分复用器6耦合连接入光镊系统中，同时为了避免反射光返回激光器4、5，光路中引入环行器7将反射光8引出，环行器7的输出端与普通光纤10在9处常规连接。
步骤6，加载调制：实验中调节两光源4和5的输入光功率，改变两组光路中光功率的比例，实现吞吐操作，即当4光源光路中的光功率大于5光源光路中的光功率时，光镊系统体现吸附微小粒子的功能，当4光源光路中的光功率小于5光源光路中的光功率时，光镊系统体现喷射微小粒子的功能。
实施例二：
步骤1，光栅写入：取一段四芯光纤，纤芯分布如图8所示，与实施例一不同的是纤芯的距离不再中心对称。采用写光栅技术在光纤的纤芯上写入周期不同的两组光栅2-1和2-2，结合图3，其中光栅2-1的光栅常数为Λ1，完全反射光源波长为λ2的光，即只允许光波长为λ1的光通过，光栅2-2的光栅常数为Λ2，只允许光波长为λ2的光通过；
步骤2，耦合连接：结合图4，将制备好光栅的四芯光纤1的一端进行涂敷层祛除、切割，然后与普通光纤10热熔融拉锥耦合连接，过程中进行光功率监测，直到耦合到具有四芯光纤的光功率达到最大时为止；图中，1为四芯光纤，1-1为写入光栅2-1的纤芯，1-2为写入光栅2-2的纤芯。
步骤4，锥体制备：结合图9，将上述操作后的预先写入光栅的四芯光纤1的另一端经研磨制备成椎体形状，为了保证出射光经过研磨后斜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(nliquid/ncore)＜α＜π/2的范围内。对于纤芯折射率ncore＝1.4868，包层折射率ncladding＝1.4571，和光纤光镊所处的液体折射率nwater＝1.333的情况下，该半锥角的范围应控制在26.3°-90°之间。结合图8，纤芯1-1和1-2研磨的锥角相同，分别为α，由于纤芯位置不同，也可以形成不同的光阱力作用区域15和16，即可实现两个稳定的光阱力捕获区；通过调节PZT相位调制系统12可以实现微粒在两个捕获区15和16之间的位置转换和粒子的发射。
步骤5，光源注入：结合图7，该光镊系统采用双光源工作装置，其中光源4的输出波长为λ1，光源5的输出波长为λ2。两光源采用波分复用器6耦合连接入光镊系统中，同时为了避免反射光返回激光器4、5，光路中引入环行器7将反射光8引出，环行器7的输出端与普通光纤10在9处常规连接。
步骤6，加载调制：实验中调节两光源4和5的输入光功率，改变两组光路中光功率的比例，实现吞吐操作，即当4光源光路中的光功率大于5光源光路中的光功率时，光镊系统体现吸附微小粒子的功能，当4光源光路中的光功率小于5光源光路中的光功率时，光镊系统体现喷射微小粒子的功能。
Claims (9)
1.一种四芯光纤组合光镊，其特征为：在四芯光纤的四根纤芯上预先写入光栅常数不同的两组光纤光栅，四芯光纤的一端与标准单模光纤的一端以热熔融拉椎的方式耦合连接，标准单模光纤的另一端通过波分复用器与两个激光光源连接，四芯光纤的另一端采用精细研磨的方式加工制备成椎体结构。
2.根据权利要求1所述的四芯光纤组合光镊，其特征为：所述的四芯光纤的四个光纤芯，彼此距离相同，剖面分布呈正四边形。
3.根据权利要求2所述的四芯光纤组合光镊，其特征为：所述的两个激光光源的光波长不相等，第一激光光源的光波长为λ1，第二激光光源的光波长为λ2。
4.根据权利要求3所述的四芯光纤组合光镊，其特征为：所述的波分复用器后与环行器连接。
5.根据权利要求4所述的四芯光纤组合光镊，其特征为：所述的环行器的输出端口与普通标准光纤连接。
6.根据权利要求5所述的四芯光纤组合光镊，其特征为所述在四芯光纤的四根纤芯上预先写入光栅常数不同的两组光纤光栅是指，在一对纤芯上写入光栅常数为Λ1的光栅，完全反射波长为λ2的第二激光光源的光，即只允许波长为λ1的第一激光光源的光；另一对纤芯上写入光栅常数为Λ2的光栅，完全反射波长为λ1的第一激光光源的光，即只允许波长为λ2的第二激光光源的光通过。
7.根据权利要求6所述的四芯光纤组合光镊，其特征为所述四芯光纤一端的锥形结构的角度α满足π/2-arcsin(nliquid/ncore)＜α＜π/2。
8.根据权利要求7所述的四芯光纤组合光镊，其特征为所述四芯光纤一端的锥形结构，两对纤芯的研磨角度不同。
9.一种四芯光纤组合光镊的光栅动力控制方法，其特征为：在四芯光纤的四根纤芯上预先写入光栅常数不同的两组光纤光栅，四芯光纤的一端与标准单模光纤的一端以热熔融拉椎的方式耦合连接，标准单模光纤的另一端通过波分复用器与两个激光光源连接，四芯光纤的另一端采用精细研磨的方式加工制备成椎体结构构成四芯光纤组合光镊；调节两激光光源的输入光功率，改变两组光路中光功率的比例，实现吞吐操作。
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