CN101893737B

CN101893737B - 三芯光纤光学微手及其控制方法

Info

Publication number: CN101893737B
Application number: CN2010101974968A
Authority: CN
Inventors: 苑立波; 张羽; 杨军; 刘志海
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2030-06-11
Also published as: CN101893737A

Abstract

本发明提供的是三芯光纤光学微手及其控制方法。由三芯光纤、光纤光源、单模光纤、压电陶瓷相位调制器构成三芯光纤光学微手，光纤光源与单模光纤连接，单模光纤的另一侧通过熔融拉椎的方式与三芯光纤耦合连接，该三芯光纤再缠绕在压电陶瓷相位调制器上，经压电陶瓷相位调制器之后的三芯光纤的尖端再经精细研磨的加工方式加工出锥体尖端，通过压电陶瓷相位调制器改变三纤芯方向位移来调节输出光束的相位，进而对三芯光纤出射光场光阱力进行调节。本发明将三个光波导集成于一根光纤中，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，具备可调节性，大大提高了光纤光学微手技术的实用性。

Description

三芯光纤光学微手及其控制方法

技术领域

本发明属于光纤技术研究领域。涉及的是一种三芯光纤光学微手。本发明还涉及三芯光纤光学微手光阱力的控制方法。

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，又陆续公开了公开号为CN101236274的三芯光纤光学微手、公开号为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既能节约物理空间，又能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、准确的三芯光纤光学微手。本发明的目的还在于提供一种可调节性，实用性强的三芯光纤光学微手的控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的三芯光纤光学微手主要包括三芯光纤、光纤光源、普通标准单模光纤、PZT压电陶瓷相位调制器；光纤光源与普通标准单模光纤连接，普通标准单模光纤的另一侧通过熔融拉椎的方式与三芯光纤耦合连接，该三芯光纤再缠绕在压电陶瓷相位调制器上，经PZT压电陶瓷相位调制器之后的三芯光纤的尖端经精细研磨的加工方式加工有锥体尖端。

本发明的三芯光纤光学微手还可以包括：

所述的三芯光纤的三个光纤芯彼此距离相同，分布呈正三角形。

所述的三芯光纤的尖端经精细研磨的加工方式加工出的锥体尖端的角度α的范围为：π/2-arcsin(n_liquid/n_core)＜α＜π/2。

本发明的三芯光纤光学微手的控制方法为：由三芯光纤、光纤光源、普通标准单模光纤、PZT压电陶瓷相位调制器构成三芯光纤光学微手，光纤光源与普通标准单模光纤连接，普通标准单模光纤的另一侧通过熔融拉椎的方式与三芯光纤耦合连接，该三芯光纤再缠绕在压电陶瓷相位调制器上，经PZT压电陶瓷相位调制器之后的三芯光纤的尖端再经精细研磨的加工方式加工出锥体尖端，通过PZT压电陶瓷相位调制器改变三纤芯方向位移来调节输出光束的相位，进而对三芯光纤出射光场光阱力进行调节。

本发明的三芯光纤光学微手的控制方法还可以包括：

所述的利用三芯光纤构建三光束马赫泽德干涉仪结构来调节光场分布，即在三芯光纤末端位置进行熔融拉锥操作，三芯光纤在两个拉锥位置之间构建三光束马赫泽德干涉臂结构。

本发明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，大幅降低系统输入光功率，可减小对待捕获粒子的伤害；三芯光纤光学微手对微粒的捕获更加灵活、准确，具备可调节性，大大提高了光纤光学微手技术的实用性。本发明的优点主要体现在：

1.本发明将三芯光纤引入光纤光学微手控制系统，利用一根光纤中的三个光波导纤芯构成三光束马赫-泽德干涉仪，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.本发明将承载三光束马赫-增德干涉仪的三芯光纤缠绕在PZT上，简单、有效的控制三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1三芯光纤光学微手系统结构示意图。

图2单芯光纤-三芯光纤耦合连接示意图。

图3(a)-(b)三芯光纤熔融拉锥示意图。

图4三芯光纤研磨锥体结构示意图。

图5三芯光纤光学微手光路系统结构示意图。

图6(a)-(b)研磨锥角不同的三芯光纤。

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1三芯光纤光学微手系统结构示意图。图中，1为三芯光纤，2为三芯光纤纤芯，3为系统注入光源，4为普通标准单模光纤，5为单芯光纤与三芯光纤耦合连接焊点，6为调制用压电陶瓷，7为三芯光纤熔融拉锥焊点，8为研磨加工制备的锥体三芯光纤锥尖。

图2单芯光纤-三芯光纤耦合连接示意图。图中，标准单模光纤4与三芯光纤外径相同，均为125μm，在拉锥机上对准固定之后，进行热熔融拉锥操作，过程中监控三纤芯出射光场光功率，直到三芯中光功率分布均匀且最大时拉锥操作结束。

图3(a)-(b)三芯光纤熔融拉锥示意图。图中，将缠绕经过压电陶瓷6的三芯光纤1在位置7处进行热熔融拉锥操作，过程中监控三纤芯出射光场光功率，直到三芯中光功率分布均匀且最大时拉锥操作结束。

图4三芯光纤研磨锥体结构示意图。图中，α为研磨光纤的空间锥角，8为光纤研磨的锥体结构。

图5三芯光纤光学微手光路系统结构示意图。图中，通过调节压电陶瓷PZT6可以调节三芯光纤三纤芯中传输光束的相位，构成空间三光束马赫泽德干涉仪结构，可以实现对三芯光纤光学微手出射光场分布的控制与调节。

图6研磨锥角不同的三芯光纤(图6(a)：实施例一，图6(b)右：实施例二)。图中，α₂为实施例二中制备的锥体光纤的锥角，此锥角小于实施例一中锥体光纤的锥角，因此可见实施例二中三芯光纤出射光场分离，可以实现对微观粒子的筛选等操作。8-1为研磨的锥体结构。

实施例一：

结合图1，本发明的光学微手包括，前端经研磨加工后形成椎体的三芯光纤，用于构成三光束马赫-泽德干涉仪的三芯光纤和用于光源引入的普通标准单芯光纤。其中：1为具有三芯结构的光纤，用于构造光纤光学微手及构建三光束马赫泽德干涉仪；2为处于正三角形分布状态的光纤芯；3为光纤光学微手操作系统注入光源，4为与三芯光纤耦合连接的单芯光纤；5单模光纤4和三芯光纤1耦合连接位置，6是用于调节三光束马赫泽德干涉仪干涉相位的PZT压电陶瓷；7为三芯光纤熔融拉锥位置，8是经研磨加工得到的椎体光纤前端。所述的锥体的半锥角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，光源注入：结合图2，将三芯光纤1的一端进行涂敷层祛除、切割，然后与普通单芯光纤4(普通单芯光纤4的另一端与光源3连接)进行熔融拉锥耦合连接，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，其中2为三芯光纤纤芯；

步骤2，缠绕光纤：结合图1，为了构建三光束马赫泽德干涉仪并对三芯心中传输的光束进行相位调制，将导入光源的三芯光纤1缠绕在压电陶瓷设备6上，通过调节驱动电路改变三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三光束的功率分配与调整，最终达到控制三芯光纤光学微手的光阱力分配的目的；

步骤3，耦合连接：结合图1，为了实现三光束马赫泽德干涉仪结构，须将缠绕过压电陶瓷6的三芯光纤1在位置7处进行熔融拉锥，同时，结合图3-1和3-2，在位置7处将三芯光纤1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，锥体研磨：结合图4，将前序操作后的三芯光纤1的另一端进行精细研磨，成圆锥体形状8，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，加载调制：结合图5，将整个系统连接完毕之后，调节压电陶瓷6的驱动电路改变三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三光束的功率分配与调整，最终达到控制三芯光纤光学微手的光阱力分配的目的。

实施例二：

此三芯光纤光学微手的前端研磨的角度不同，实现的功能也不相同。例如，可以将研磨的角度减小，在实现捕获、定位微粒的同时，使出射光场分离，可以实现筛选粒子的目的。本实施方式的光学微手的制作过程：

步骤4，锥体研磨：结合图6，将前序操作后的三芯光纤1的另一端进行精细研磨，成圆锥体形状8-1，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，但与实施例一不同的是此研磨半锥角要小一些，实现出射光场分离。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。

Claims

1.一种三芯光纤光学微手，主要包括三芯光纤、光纤光源、普通标准单模光纤、PZT压电陶瓷相位调制器，其特征是：光纤光源与普通标准单模光纤的一端连接，普通标准单模光纤的另一端通过熔融拉椎的方式与三芯光纤耦合连接，该三芯光纤再缠绕在压电陶瓷相位调制器上，经PZT压电陶瓷相位调制器之后的三芯光纤的尖端经精细研磨的加工方式加工有锥体尖端。

2.根据权利要求1所述的三芯光纤光学微手，其特征是：所述的三芯光纤的三个光纤芯彼此距离相同，分布呈正三角形。

3.一种三芯光纤光学微手的控制方法，其特征是：由三芯光纤、光纤光源、普通标准单模光纤、PZT压电陶瓷相位调制器构成三芯光纤光学微手，光纤光源与普通标准单模光纤的一端连接，普通标准单模光纤的另一端通过熔融拉椎的方式与三芯光纤耦合连接，该三芯光纤再缠绕在压电陶瓷相位调制器上，经PZT压电陶瓷相位调制器之后的三芯光纤的尖端再经精细研磨的加工方式加工出锥体尖端，通过PZT压电陶瓷相位调制器改变三纤芯径向位移来调节输出光束的相位，进而对三芯光纤出射光场光阱力进行调节。

4.根据权利要求3所述的三芯光纤光学微手的控制方法，其特征是：所述的利用三芯光纤构建三光束马赫-曾德干涉仪结构来调节光场分布，即在三芯光纤末端位置进行熔融拉锥操作，三芯光纤在两个拉锥位置之间构建三光束马赫-曾德干涉臂结构。