CN101893736A - 基于阵列芯光纤的轴向阵列光镊及光动力控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是基于阵列芯光纤的轴向阵列光镊及光动力控制方法。激光光源与标准单模光纤的一端连接，标准单模光纤的另一端与阵列芯光纤之间熔融拉椎耦合连接形成第一熔融拉椎耦合位置，与标准单模光纤连接后的阵列芯光纤缠绕在压电陶瓷驱动装置上，经过压电陶瓷装置的阵列芯光纤再次经过热熔融拉椎操作形成第二熔融拉椎耦合位置，阵列芯光纤的末端经精细研磨的加工方式制备成圆锥形状。本发明在节约物理空间的同时，可大幅降低系统输入光功率，以减小对待捕获粒子的伤害；对微粒的捕获更加灵活、准确，具备可调节性；可以在光纤端形成轴向分布的系列光学势阱，将捕获的粒子排列成一系列间距固定的空间位置，实现微小粒子的显微精细操作。
Description
技术领域
本发明属于光纤技术研究领域。涉及一种轴向阵列式光镊。本发明还涉及一种轴向阵列式光镊的光动力控制技术。
背景技术
光学微手属于一种特殊的光镊。自从1986年Askin在Opt.Lett.11，288-290上发表文章“Observation of a single-beam gradient 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等人发表“Confinement and bistability in a tapered hemispherically lensed optical fiber trap”一文，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，该文章发表在Appl.Phys.Lett.66，1584-1586，1995；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。此后，又陆续出现了公开号为CN101236274的三芯光纤光学微手、CN101236275的基于环形多芯光纤的光镊和公开号为CN101251620的集成于单根光纤的多光镊等新型光镊，它们都面临着如何控制多光束光阱力的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在节约物理空间的同时，可大幅降低系统输入光功率，以减小对待捕获粒子的伤害；对微粒的捕获更加灵活、准确，具备可调节性；可以将捕获的粒子排列成一系列间距固定的空间位置的基于阵列芯光纤的轴向阵列光镊。本发明的目的还在于提供一种基于阵列芯光纤的轴向阵列光镊的光动力控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的基于阵列芯光纤的轴向阵列光镊包括阵列芯光纤、标准单模光纤、激光光源和压电陶瓷驱动装置，激光光源与标准单模光纤的一端连接，标准单模光纤的另一端与阵列芯光纤之间熔融拉椎耦合连接形成第一熔融拉椎耦合位置，与标准单模光纤连接后的阵列芯光纤缠绕在压电陶瓷驱动装置上，经过压电陶瓷装置的阵列芯光纤再次经过热熔融拉椎操作形成第二熔融拉椎耦合位置，阵列芯光纤的末端经精细研磨的加工方式制备成圆锥形状。
本发明的基于阵列芯光纤的轴向阵列光镊还可以包括：
1、所述的阵列芯光纤的多个纤芯呈线性排列。
2、所述的阵列芯光纤的纤芯分为两组线性阵列，二组之间相互垂直。
3、所述的阵列芯光纤的末端经精密研磨加工制备成圆锥形状的角度α满足π/2-arcsin(nliquid/ncore)＜α＜π/2。
本发明的基于阵列芯光纤的轴向阵列光镊的光动力控制方法为：将激光光源与标准单模光纤的一端常规连接，标准单模光纤的另一端与阵列芯光纤之间熔融拉椎耦合连接形成第一熔融拉椎耦合位置，之后将阵列芯光纤缠绕在压电陶瓷驱动装置上，再将经过压电陶瓷装置的阵列芯光纤再次经过热熔融拉椎操作形成第二熔融拉椎耦合位置，最后将阵列芯光纤的末端经精细研磨的加工方式制备成圆锥形状；阵列芯光纤的末端形成光学势阱呈正四面体结构，在正四面体的顶点处形成光学势阱；调节压电陶瓷的驱动电路改变阵列纤芯方向位移进行传输光束的相位控制，实现功率分配与调整，达到控制该轴向阵列光镊光阱力分布。
本发明提出了一种基于阵列芯光纤的轴向阵列光镊的光动力控制技术，这种轴向阵列光镊的主要优点在于这种阵列芯光纤轴向阵列光镊将多个光波导纤芯集成于一根光纤中，在节约了物理空间的同时，可大幅降低系统输入光功率，以减小对待捕获粒子的伤害；同时，多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，大大提高了光纤光镊技术的实用性；更为重要的是该轴向阵列光纤光镊可以在光纤端形成轴向分布的系列光学势阱，可以将捕获的粒子排列成一系列间距固定的空间位置，实现微小粒子的显微精细操作。
本发明的优点和特点是：
1.本发明将阵列芯光纤引入光镊控制系统，利用一根光纤中的多个阵列分布的光波导纤芯构成空间分布的干涉网格光场，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.本发明实现在一根光纤中的多芯光纤出射网格光场的相干加强处形成多个光学势阱，可用于对多个微观粒子的筛选和批量操纵，甚至特定位置的空间排列等显微操作；
3.本发明将通过多芯光纤实现致密的干涉网格分布的光学势阱，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基于线列芯光纤的轴向阵列光镊系统结构示意图。
图2阵列芯光纤剖面结构示意图。
图3光镊系统光动力控制原图理及等效示意图。
图4阵列芯光纤端研磨角度示意图。
图5(a)-(c)该阵列芯光纤的轴向阵列光阱力光场结构示意图。
图6阵列芯光纤(直线形分布)结构示意图。
图7直线形阵列芯光纤二维光阱力分布示意图。
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：
图1中，1为阵列芯光纤，2标准单模光纤，3激光光源，4压电陶瓷驱动装置，5标准单模光纤与阵列芯光纤耦合连接位置，6阵列芯光纤熔融拉椎位置，1-2阵列芯光纤纤芯，1-3阵列芯光纤加工制备而得的椎体结构，1-4形成的空间分布的光阱力势阱。系统通过调节压电陶瓷驱动装置4，可以调节5和6之间形成的马赫泽德干涉仪结构的阵列芯光纤纤芯中传输激光光束的相位差，实现光阱力的动力学控制。
图2中，1为阵列芯光纤，1-2阵列芯光纤纤芯，共有8个纤芯。每4个纤芯呈线性排列，两组线性排列的纤芯又相互垂直分布。
图3中，图3-1为连接示意图，图3-2为等效示意图。该种方法连接光纤，等效于在5和6位置形成8光束马赫泽德干涉仪结构，通过调节压电陶瓷驱动装置4可实现该光镊系统光阱力的动力学控制。其中，1为阵列芯光纤，2标准单模光纤，3激光光源，4压电陶瓷驱动装置，5标准单模光纤与阵列芯光纤耦合连接位置，6阵列芯光纤熔融拉椎位置。
图4中，1为阵列芯光纤，1-2阵列芯光纤纤芯，1-3阵列芯光纤加工制备而得的椎体结构。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(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。
图5(a)为四个纤芯在一条直线上分布时产生的2维结构的空间光阱力光场，图5(b)为两列线性分布纤芯产生的相互交叠的光阱力光场，图5(c)为该8芯交叉分布式阵列光纤产生的光阱力光场分布三维立体结构示意图。
图6阵列芯光纤(直线形分布)结构示意图。与实施例一不同的是该阵列芯光纤的8个纤芯1-2呈直线形分布。
图7中，1-2阵列芯光纤纤芯，1-4形成的空间分布的光阱力势阱，1-5为捕获住的微小粒子。直线形分布的阵列芯纤芯形成的光阱力分布光场为二维结构，可用于微小粒子的二维操作。
结合图1，本发明的阵列芯光纤轴向阵列式光镊包括，前端经精细研磨加工制备而成圆锥结构的阵列芯光纤1，用于在出射空间形成多个的光学势阱干涉分布光场；该阵列芯光纤1与标准单模光纤2之间通过热熔融拉椎耦合的方式连接；为了实现出射光场的光阱力动力学控制，需构建马赫泽德干涉仪结构，因此需要在缠绕在PZT驱动装置4两侧的阵列芯光纤1进行熔融拉椎操作。
本实施方式的组合光镊的制作过程：
实施例一：
步骤1，光源注入：结合图1，将与阵列芯光纤1(剖面结构示意图如图2所示)进行涂敷层祛除、与普通标准单模光纤2常规焊接，然后进行热熔融拉锥操作，过程中进行光功率监测，直到耦合到阵列芯光纤1的光功率达到最大且各纤芯光功率分布均匀时为止。标准单模光纤的另一端与激光光源3常规连接，这样将激光束导入到该阵列芯光纤1中。
步骤2，缠绕光纤：结合图3，为了构建马赫泽德干涉仪对阵列形纤芯心中传输的光束进行相位调制，将导入光源的阵列芯光纤1缠绕在压电陶瓷设备4上，通过调节驱动电路改变多个纤芯方向位移以进行传输光束的相位控制，来实现此轴向阵列光镊中多光束的功率分配与调整，最终达到控制阵列芯光纤多个光阱力分配的目的；
步骤3，干涉仪制备：结合图3，为了实现马赫泽德干涉仪结构，须将缠绕过压电陶瓷4的阵列芯光纤1在位置6处进行熔融拉锥，过程中进行光功率监测，直到耦合到阵列芯光纤的光功率达到最大时为止；这样在位置5和6之间可构成马赫泽德干涉仪结构，通过调节压电陶瓷驱动装置4实现该光纤光镊光阱力的控制；
步骤4，锥体研磨：结合图4，将前序操作后的阵列芯光纤1的另一端进行精细研磨，制备成圆锥体形状1-3，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(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5，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6，筛选排列：结合图5，将整个系统连接完毕之后，调节压电陶瓷6的驱动电路改变阵列纤芯方向位移以进行传输光束的相位控制，来实现此光纤光学微手中光束的功率分配与调整，最终达到控制该轴向阵列光镊光阱力分布目的。在光纤端形成的轴向阵列式正四面体结构光阱力光场，可以实现微小粒子的有规律排列筛选和空间定位等显微操作。
实施例二：
步骤1，光源注入：结合图1，将与阵列芯光纤1(剖面结构示意图如图6所示)进行涂敷层祛除、与普通标准单模光纤2常规焊接，然后进行热熔融拉锥操作，过程中进行光功率监测，直到耦合到阵列芯光纤1的光功率达到最大且各纤芯光功率分布均匀时为止。标准单模光纤的另一端与激光光源3常规连接，这样将激光束导入到该阵列芯光纤1中。
步骤2，缠绕光纤：结合图3，为了构建马赫泽德干涉仪对阵列形纤芯心中传输的光束进行相位调制，将导入光源的阵列芯光纤1缠绕在压电陶瓷设备4上，通过调节驱动电路改变多个纤芯方向位移以进行传输光束的相位控制，来实现此轴向阵列光镊中多光束的功率分配与调整，最终达到控制阵列芯光纤多个光阱力分配的目的；
步骤3，干涉仪制备：结合图3，为了实现马赫泽德干涉仪结构，须将缠绕过压电陶瓷4的阵列芯光纤1在位置6处进行熔融拉锥，过程中进行光功率监测，直到耦合到阵列芯光纤的光功率达到最大时为止；这样在位置5和6之间可构成马赫泽德干涉仪结构，通过调节压电陶瓷驱动装置4实现该光纤光镊光阱力的控制；
步骤4，锥体研磨：结合图4，将前序操作后的阵列芯光纤1的另一端进行精细研磨，制备成圆锥体形状1-3，形成如图7所示的光阱力光场，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(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5，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6，筛选排列：结合图5，将整个系统连接完毕之后，调节压电陶瓷6的驱动电路改变阵列纤芯方向位移以进行传输光束的相位控制，来实现此光纤多光束的功率分配与调整，最终达到控制该轴向阵列光镊光阱力分布目的。在光纤端形成的轴向阵列式正四面体结构光阱力光场，可以实现微小粒子的有规律排列筛选和空间定位等显微操作。
Claims (5)
1.一种基于阵列芯光纤的轴向阵列光镊，包括阵列芯光纤、标准单模光纤、激光光源和压电陶瓷驱动装置，其特征是：激光光源与标准单模光纤的一端连接，标准单模光纤的另一端与阵列芯光纤之间熔融拉椎耦合连接形成第一熔融拉椎耦合位置，与标准单模光纤连接后的阵列芯光纤缠绕在压电陶瓷驱动装置上，经过压电陶瓷装置的阵列芯光纤再次经过热熔融拉椎操作形成第二熔融拉椎耦合位置，阵列芯光纤的末端经精细研磨的加工方式制备成圆锥形状。
2.根据权利要求1所述的基于阵列芯光纤的轴向阵列光镊，其特征是：所述的阵列芯光纤的多个纤芯呈线性排列。
3.根据权利要求1所述的基于阵列芯光纤的轴向阵列光镊，其特征是：所述的阵列芯光纤的纤芯分为两组线性阵列，二组之间相互垂直。
4.根据权利要求1、2或3根据权利要求1所述的基于阵列芯光纤的轴向阵列光镊，其特征是：所述的基于阵列芯光纤的轴向阵列光镊，其特征是：所述的阵列芯光纤的末端经精密研磨加工制备成圆锥形状的角度α满足π/2-arcsin(nliquid/ncore)＜α＜π/2。
5.一种基于阵列芯光纤的轴向阵列光镊的光动力控制方法，其特征是：将激光光源与标准单模光纤的一端常规连接，标准单模光纤的另一端与阵列芯光纤之间熔融拉椎耦合连接形成第一熔融拉椎耦合位置，之后将阵列芯光纤缠绕在压电陶瓷驱动装置上，再将经过压电陶瓷装置的阵列芯光纤再次经过热熔融拉椎操作形成第二熔融拉椎耦合位置，最后将阵列芯光纤的末端经精细研磨的加工方式制备成圆锥形状；阵列芯光纤的末端形成光学势阱呈正四面体结构，在正四面体的顶点处形成光学势阱；调节压电陶瓷的驱动电路改变阵列纤芯方向位移进行传输光束的相位控制，实现功率分配与调整，达到控制该轴向阵列光镊光阱力分布。
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