CN101950049A - 基于同轴双波导结构的吞吐式光纤光镊及动力学控制方法 - Google Patents

基于同轴双波导结构的吞吐式光纤光镊及动力学控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是基于同轴双波导结构的吞吐式光纤光镊及动力学控制方法。主要由同轴双波导微结构光纤[1]、波长可调LD光源[2]和标准单模单芯光纤[3]构成，其特征是：同轴双波导微结构光纤[1]通过熔融拉椎的方式与标准单模单芯光纤[3]耦合连接，标准单模单芯光纤[3]的另一侧与波长可调LD光源[2]连接，同轴双波导微结构光纤[1]的另一端进行精细研磨成圆锥体形状[103]。利用同轴双波导光纤对微粒进行操控，通过调节改变光源波长，可实现稳定捕获粒子的吞吐、发射，甚至吸回；同时，基于同轴双波导结构的吞吐式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。

Description

基于同轴双波导结构的吞吐式光纤光镊及动力学控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种光纤光镊。本发明还涉及一种光纤光镊的动力学控制方法。
背景技术
光镊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。1986年Askin在“Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles”一文中提出一种基于单束激光的三维光学势阱，用于实现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”，这篇文章发表在Opt.Lett.11，288-290。此后，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：E.R.Lyons等人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，这篇文章于1995年发表在Appl.Phys.Lett.66，1584-1586；为了进一步对所捕获的微小粒子的姿态进行控制，名为“用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊及其制作方法”，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，又陆续出现苑立波等人提出的基于环形多芯光纤的光镊，公开号为CN101236275；和集成于单根光纤的多光镊，公开号为CN101251620等新型光镊，这些新型光镊多能实现对微粒进行捕获、空间定位、使其空间旋转等功能，但从未见可以发射捕获粒子的光镊报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在具备对微粒进行捕获、空间定位等基本功能基础上还可以实现对捕获微粒的吞吐功能的基于同轴双波导结构的吞吐式光纤光镊。本发明的目的还在于提供一种基于同轴双波导结构的吞吐式光纤光镊的动力学控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的基于同轴双波导结构的吞吐式光纤光镊主要由同轴双波导微结构光纤1、波长可调LD光源2和标准单模单芯光纤3构成，同轴双波导微结构光纤1通过熔融拉椎的方式与标准单模单芯光纤3耦合连接，标准单模单芯光纤3的另一侧与波长可调LD光源2连接，同轴双波导微结构光纤1的另一端进行精细研磨成圆锥体形状103。
所述同轴双波导微结构光纤1包括一个环形波导纤芯101和一个圆形波导纤芯102，圆形波导纤芯102位于光纤中心，环形波导纤芯101位于圆形波导纤芯102外，两纤芯同轴分布。
所述圆锥体形状103的半锥角α控制在π/2-arcsin(nliquid/ncore)＜α＜π/2的范围内。
本发明的基于同轴双波导结构的吞吐式光纤光镊的动力学控制方法为：由同轴双波导微结构光纤1、波长可调LD光源2和标准单模单芯光纤3构成基于同轴双波导结构的吞吐式光纤光镊；同轴双波导微结构光纤1通过熔融拉椎的方式与标准单模单芯光纤3耦合连接，标准单模单芯光纤3的另一侧与波长可调LD光源2连接，同轴双波导微结构光纤1的另一端进行精细研磨成圆锥体形状103；通过调节改变波长可调LD光源2的波长，实现稳定捕获粒子的吞吐、发射、吸回。
本发明的优点和特点是：
这种基于同轴双波导结构的光纤光镊的主要优点在于利用同轴双波导光纤对微粒进行操控，通过调节注入光源的波长，即波长调制的方法，可实现稳定捕获粒子的吞吐，即可发射微粒，又可将其吸回。
同时，基于同轴双波导结构的吞吐式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。
附图说明
图1基于同轴双波导结构光纤的吞吐式光纤光镊的系统结构示意图。
图2同轴双波导光纤剖面结构示意图。
图3单模光纤与同轴双波导光纤耦合连接示意图。
图4同轴双波导光纤端研磨锥体示意图。
图5基于同轴双波导光纤的吞吐式光纤光镊系统等效图。
图6吞吐式光纤光镊实现吞吐功能示意图。
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是基于同轴双波导微结构光纤的吞吐式光纤光镊的系统结构示意图。图中，1为同轴双波导光纤，101为环形纤芯，102为轴心纤芯，二者分布同心，2为系统光源，3普通标准单模单芯光纤，4为单芯光纤与同轴双波导光纤熔融拉锥耦合连接位置，103是为实现对微小粒子的捕获而精细研磨的光纤端。
图2是同轴双波导光纤剖面结构示意图。图中，1为同轴双波导光纤，101为环形纤芯，102为轴心纤芯，二者分布同心。
图3是单模光纤与同轴双波导光纤耦合连接示意图。图中，1为同轴双波导光纤，101为环形纤芯，102为轴心纤芯，二者分布同心，3普通标准单模单芯光纤，4为单芯光纤与同轴双波导光纤熔融拉锥耦合连接位置。
图4是同轴双波导光纤端研磨锥体示意图。图中，1为同轴双波导光纤，101为环形纤芯，102为轴心纤芯，二者分布同心，103是为实现对微小粒子的捕获而精细研磨的光纤端，α为锥体研磨半锥角，控制在π/2-arcsin(nliquid/ncore)＜α＜π/2的范围内。
图5是基于同轴双波导光纤的吞吐式光纤光镊系统等效图。图中，101为环形纤芯，102为轴心纤芯，2为系统光源，3普通标准单模单芯光纤，4为单芯光纤与同轴双波导光纤熔融拉锥耦合连接位置。
图6是吞吐式光纤光镊实现吞吐功能示意图。图中，1为同轴双波导光纤，101为环形纤芯，102为轴心纤芯，二者分布同心，103是为实现对微小粒子的捕获而精细研磨的光纤端，104为轴心芯102中光束的出射光场产生光阱力的结果，作用为将捕获的粒子推离光纤端，105为环形芯101中光束的出射光场产生光阱力的结果，作用为将捕获的粒子拉近光纤端。通过调节注入光源的波长，使得耦合连接处两纤芯101，102中光功率的比值，改变光阱力104和105的合力作用效果，即要么拉力占优势，体现“吞”的功能，要么推力占优势，体现“吐”的功能。
结合图1，本发明的吞吐式光纤光镊包括，1为具有同轴双波导结构的光纤；101为环形光纤芯；102与环形芯同轴分布的位于光纤中心的圆型光纤芯，2吞吐式光纤光镊系统光源；3普通标准单模光纤；4为标准单模光纤与同轴双波导光纤1的耦合连接位置；103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(nliquid/ncore)＜α＜π/2的范围内。
本发明的吞吐式光纤光镊的制作过程：
步骤1，光源注入：结合图3，将剖面结构如图2所示的同轴双波导光纤1的一端进行涂敷层祛除、切割，然后与普通单芯光纤3(普通单芯光纤3的另一端与波长可调LD光源2常规连接)进行熔融拉锥耦合连接，过程中进行光功率监测，直到耦合到同轴双波导光纤中的光功率达到最大，且满足当光源波长为λ1时，纤芯101中的光功率大于纤芯102，当光源波长为λ2时，纤芯102中的光功率大于纤芯101；
步骤2，锥体研磨：结合图4，将前序操作后的同轴双波导光纤1的另一端进行精细研磨，成圆锥体形状103，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3，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4，吞吐操作：结合图5和6，系统采用光源可调的LD光源2，通过调节光源光波，使得两纤芯101、102中的光功率比发生变化，实现此光镊的吞吐功能。

Claims (4)

1.一种基于同轴双波导结构的吞吐式光纤光镊，主要由同轴双波导微结构光纤[1]、波长可调LD光源[2]和标准单模单芯光纤[3]构成，其特征是：同轴双波导微结构光纤[1]通过熔融拉椎的方式与标准单模单芯光纤[3]耦合连接，标准单模单芯光纤[3]的另一侧与波长可调LD光源[2]连接，同轴双波导微结构光纤[1]的另一端进行精细研磨成圆锥体形状[103]。
2.根据权利要求1所述的基于同轴双波导结构的吞吐式光纤光镊，其特征是：所述同轴双波导微结构光纤[1]包括一个环形波导纤芯[101]和一个圆形波导纤芯[102]，圆形波导纤芯[102]位于光纤中心，环形波导纤芯[101]位于圆形波导纤芯[102]外，两纤芯同轴分布。
3.根据权利要求1或2所述的基于同轴双波导结构的吞吐式光纤光镊，其特征是：所述圆锥体形状[103]的半锥角α控制在π/2-arcsin(nliquid/ncore)＜α＜π/2的范围内。
4.一种基于同轴双波导结构的吞吐式光纤光镊的动力学控制方法，其特征是：由同轴双波导微结构光纤[1]、波长可调LD光源[2]和标准单模单芯光纤[3]构成基于同轴双波导结构的吞吐式光纤光镊；同轴双波导微结构光纤[1]通过熔融拉椎的方式与标准单模单芯光纤[3]耦合连接，标准单模单芯光纤[3]的另一侧与波长可调LD光源[2]连接，同轴双波导微结构光纤[1]的另一端进行精细研磨成圆锥体形状[103]；通过调节改变波长可调LD光源[2]的波长，实现稳定捕获粒子的吞吐、发射、吸回。
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