CN101893735B - 光学微手及其光指力的动力控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种光学微手及其光指力的动力控制方法。将普通标准单模光纤一端与光纤光源连接，普通标准单模光纤另一端通过熔融拉锥的方式与中空三芯保偏光纤连接，中空三芯保偏光纤的另一端经精细研磨制备成锥体结构，中空三芯保偏光纤的外壁和内壁均设置金属电极，并电极分别引出连接至高压电源两极，三芯保偏光纤内壁的金属电极连接高压电源，三芯保偏光纤外壁的金属电极接地，通过调节电源电压来调节光波导纤芯的折射率，改变光波导纤芯中传输光束的相位，进而改变其出射光场分布，最终实现光阱力的动力学控制。本发明减少了对待捕获微粒的伤害；极大的提高了光纤光学微手系统的显微操作的主观能动性和操控灵活性。
Description
技术领域
本发明属于光纤技术领域，涉及一种光镊以及光镊中光指力的动力控制方法。
背景技术
2009年，公开号为CN101236274的发明技术专利，提出“光学微手”这一概念，实际上“光学微手”属于一种特殊的光镊。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在“Observation of a single-beam gradient forceoptical trap for dielectric particles”一文中提到，把单束激光引入高数值孔径物镜形成三维光学势阱，实现了对粒子的三维空间控制以来，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”。这篇文章发表在1986年Opt.Lett.11，288-290上。光学微手是在多芯光纤的基础上，通过单光纤的多光束组合而形成三维梯度力光阱，从而达到利用多纤芯输出的交叉组合光束来俘获微小粒子并实现三维操纵的目的。通过对多光束中每个光束的光功率进行调整和控制，如同调整手抓物体时的每个手指的指力一样，达到对单光纤所俘获的粒子在实现三维操纵的同时，还可以完成姿态调整与控制的目的。由于这种方法所实现的微小粒子俘获是由于多光束形成的高数值孔径组合光束而实现的，我们可以形象的称其为“微光手”。
所谓光学微手的光指力自然指的是每个光束的光阱力，能够对每个“手指”的光指力实现控制是光学微手技术的关键问题，本发明即提出一种结合极化光纤相位调制技术的光指力动力学控制方法。
极化光纤相位调制技术目前常用压电陶瓷环上缠绕光纤来实现，例如McGarrity早在1993年在Rev Sci Instrum发表文章“A Fiber-Optic System for Three-Phase Current SensingUsing a Hybrid Sensing Technique”，实现光纤的极化。但这种相位调制技术受到压电陶瓷材料的响应特性的限制，调制频率通常低于100kHz，这极大地限制了它在光纤传感或传输系统中的应用，于是人们考虑直接将电极植入光纤来实现其相位调制功能。然而，用熔石英制成的光纤是中心对称的材料，不存在线性电光效应，而二阶电光效应又太小难以替代昂贵的晶体材料，如铌酸锂、磷酸二氢钾(KDP)、磷酸钾钛(KTP)等，这限制了其在一些重要光器件(如电光调制器、光开关、可调滤波器及波长转换器等)中的应用。1991年，Myers等人在Opt.Lett.16(22)：1732-4上发表文章“Large second-order nonlinearity inpoled fused silica”，文中报道通过在高温下对SiO2材料进行热极化的方法成功地在SiO2中得到了二阶非线性效应，为SiO2应用在更广阔的器件领域提供了可能性。之后，人们通过不同的途径提高极化引起的非线性效应。1994年以来，光纤热极化技术的发展，使得在熔石英光纤中可以产生二阶非线性，这为获得新型实用的全光纤电光调制器提供了可能。国外实验室对极化熔石英光纤制作光纤电光器件进行了许多试验。Kazansky和他的同事们在“Glass fiber poling and application”一文中设计了单模光纤磨抛的“D”型光纤结构，得到了真空中热极化的电光效应，该篇文章发表在IEEE Journal of LightwaveTechnology，15(8)：1484-1493，1997。1996年，发表在SPIE，2893期上的名为“Poled fiberdevices for electro-optic modulation”的文章中，Fleming等应用双孔和内电极结构，经紫外极化.得到了较高的电光系数。Long等1997年在IEEE Photon.Technal.Lett.发表文章“Large-single phase retardation with a poled electro-optic fiber”用小纤芯“D”型光纤以及聚酰亚胺作绝缘材料，在12cm极化长度上得到了半波电压仅75v的热极化电光光纤。这些极化光纤在实验室里是成功的，但在实用上还有一些困难。Kazansky的极化光纤电极是压在光纤上的，因此该结构无法应用于较长光纤的极化，而且也无法用于高速的电光调制。Fleming等的双孔和内电极结构几乎使该极化光纤无法与实际的光纤系统熔接。Long利用小纤芯D型光纤制作极化光纤，不仅使极化光纤与实用的通信光纤(其纤芯直径约为6-7微米)的熔接较困难，而且价格也较昂贵。
英国南安普顿大学的Kazansky将热极化单模光纤作为电光相位调制器用于制作单模光纤Mach-Zehnder干涉仪，演示了0.83微米波长的光在150kHz调制频率的单模光纤电光强度调制器，由于该强度调制器用普通单模光纤制成，光传输中光的偏振态变化较大，实验中需用偏振控制器来控制Mach-Zehnder干涉仪系统中的偏振态。另外，该实验中的调制电极是机械地压在光纤上的，没有进行电极的实用化封装，因此该实验在偏振态控制和电极封装上存在困难，也就无法实现长时间的稳定调制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以实现光纤光学微手技术中光指力的控制的光学微手。本发明的目的还在于提供一种光学微手的光指力的动力控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的光学微手的结构包括中空三芯保偏光纤连接，所述中空三芯保偏光纤的另一端经精细研磨制备成锥体结构，中空三芯保偏光纤的外壁和中空内壁均设置金属电极，并金属电极分别引出连接高压电源两极。
所述的中空三芯保偏光纤带有一个空腔，三个光波导纤芯分布呈正三角形，且靠近内壁空腔。
所述的中空三芯保偏光纤的三个光波导纤芯为保偏光波导纤芯，即光在此纤芯中传播能够保持某一方向偏振。
所述的中空三芯保偏光纤一端的锥体结构的角度α的范围在π/2-arcsin(nliquid/ncore)＜α＜π/2。
所述的三芯保偏光纤的外壁的金属电极，是通过将金属真空蒸镀在中空三芯保偏光纤外壁形成金属薄层，然后在纤芯对应位置将金属研磨除去以实现三个电极的分立。
所述的三芯保偏光纤的内壁的金属电极，是通过将金属注入中空三芯保偏光纤内腔中实现。
本发明的光学微手的光指力的动力控制方法为将普通标准单模光纤一端与光纤光源连接，普通标准单模光纤另一端通过熔融拉锥的方式与中空三芯保偏光纤连接，中空三芯保偏光纤的另一端经精细研磨制备成锥体结构，中空三芯保偏光纤的外壁和内壁均设置金属电极，并电极分别引出连接至高压电源两极，三芯保偏光纤内壁的金属电极连接高压电源，三芯保偏光纤外壁的金属电极接地，通过调节电源电压来调节光波导纤芯的折射率，改变光波导纤芯中传输光束的相位，进而改变其出射光场分布，最终实现光阱力的动力学控制。
本发明的优点和特点是：
利用中空三芯保偏光纤将三个光波导集成于一根光纤中，在节约了物理空间的同时有效的降低了系统输入光功率，减少了对待捕获微粒的伤害；
采用极化光纤技术，实现了光纤光学微手光阱力的控制，极大的提高了光纤光学微手系统的显微操作的主观能动性和操控灵活性。
附图说明
图1(a)中空三芯保偏光纤光学微手光指力动力学控制示意图，图1(b)是1(a)的俯视图。
图2中空三芯保偏光纤结构示意图。
图3中空三芯保偏光纤锥体研磨结构。
图4中空三芯保偏光纤金属加工结构示意图。
图5中空三芯保偏光纤金属电极的引出。
图6单芯光纤与中空三芯保偏光纤耦合连接示意图。
图7中空三芯保偏光纤电极控制光阱力结构等效示意图。
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：
结合图1，本发明提出的可实现的一种基于光学微手技术的光指力动力控制方法，是在中空三芯保偏光纤的基础上实现的。利用精细研磨的方法加工该中空三芯保偏光纤的端面，构造光学微手；在此三芯保偏光纤中插入金属电极，通过调节电极电压改变电极附近纤芯的折射率，引起该纤芯出射光场相位的改变，进而改变三纤芯干涉光场光阱力的分布，最终达到对光纤光学微手的光指力进行动力学控制的目的。具体结构包括，前端经精细研磨后形成锥体结构6的中空三芯保偏光纤1，呈正三角形分布的中空保偏光纤纤芯2，中空腔3，中空腔内注入的金属电极8；在中空三芯保偏光纤轴向上真空蒸镀的金属薄层4，为实现三个分立控制电极而抛磨的断层5，以及在分立的金属薄层上引出的电极7，其中锥体6的半锥角α控制在π/2-arcsin(nliquid/ncore)＜α＜π/2范围内。
下面结合附图给出本发明给出的具体实施方式。
本实施方式的组合光镊的制作过程及其制备实施过程如下：
步骤1，锥体制备：取一段图2所示的中空三芯保偏光纤1，借助于光纤磨锥机研磨制成如图3所示的圆锥体形状6，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(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。
步骤2，电极制备：结合图4，将金属注入中空三芯保偏光纤1的空腔3；然后将金属真空蒸镀在中空三芯保偏光纤1的外壁上，形成金属薄层4，此后再在对应位置5处将金属薄层抛除，形成三个分立的金属薄层。图中，1为中空三芯保偏光纤，2为三个纤芯，3为注有金属的光纤中空腔，4为真空蒸镀的金属薄层，5为抛磨断层。
步骤3，电极引出：结合图5，将注入中空三芯保偏光纤1空腔3中的金属用金属导线引出接地，形成电极8；然后在三个分立的金属薄层中分别用金属导线7-1、7-2和7-3引出，接入三个高压电路中，通过分别调节三个高压电源电压实现对三个光路的分别调整。
步骤4，光源注入：结合图5，将制备好的中空三芯保偏光纤1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9进行焊接。将单模光纤9与中空三芯保偏光纤1的连接处进行加热至软化状态，进行拉锥，并进行光功率监测，直到耦合到具有三芯保偏光纤的光功率达到最大时为止；
步骤5，光阱力控制：结合图6，按上述步骤构建光路系统后，分别改变高压电源输出以调节光纤芯2中传输光束的传输相位，改变光纤端出射光场光强分布，最终达到改变光阱力的目的，即可以实现微观粒子的空间捕获、定位、旋转甚至存储和搬运。图中，9为接有电源的普通标准单模光纤，8为中空三芯保偏空腔内注入的金属接地电极，7-1、7-2、7-3为接有高压电源的，可分别控制的三个金属电极，6为中空三芯保偏光纤1研磨的前端锥体形状，10为此中空三芯保偏光纤捕获操控的微观粒子。
Claims (2)
1.一种光学微手，其特征是：包括一端与带有光源尾纤的单模光纤焊接的中空三芯保偏光纤，所述中空三芯保偏光纤的另一端经精细研磨制备成锥体结构，中空三芯保偏光纤的外壁和中空内壁均设置金属电极，并且金属电极分别引出连接高压电源两极；所述的中空三芯保偏光纤带有一个空腔，三个光波导纤芯分布呈正三角形，且靠近内壁空腔；所述的中空三芯保偏光纤的三个光波导纤芯为保偏光波导纤芯，即光在此纤芯中传播能够保持某一方向偏振；所述的三芯保偏光纤的外壁的金属电极，是通过将金属真空蒸镀在中空三芯保偏光纤外壁形成金属薄层，然后在纤芯对应位置将金属研磨除去以实现三个电极的分立；所述的三芯保偏光纤的内壁的金属电极，是通过将金属注入中空三芯保偏光纤内腔中实现。
2.一种光学微手的光指力的动力控制方法，其特征是：将普通标准单模光纤一端与光纤光源连接，普通标准单模光纤另一端通过熔融拉锥的方式与中空三芯保偏光纤连接，中空三芯保偏光纤的另一端经精细研磨制备成锥体结构，中空三芯保偏光纤的外壁和内壁均设置金属电极，并且电极分别引出连接至高压电源两极，三芯保偏光纤内壁的金属电极连接高压电源，三芯保偏光纤外壁的金属电极接地，通过调节电源电压来调节光波导纤芯的折射率，改变光波导纤芯中传输光束的相位，进而改变其出射光场分布，最终实现光阱力的动力学控制；所述的中空三芯保偏光纤带有一个空腔，三个光波导纤芯分布呈正三角形，且靠近内壁空腔；所述的三芯保偏光纤的外壁的金属电极，是通过将金属真空蒸镀在中空三芯保偏光纤外壁形成金属薄层，然后在纤芯对应位置将金属研磨除去以实现三个电极的分立；所述的三芯保偏光纤的内壁的金属电极，是通过将金属注入中空三芯保偏光纤内腔中实现。
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