CN102147500B - 基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置及方法。包括一段表面芯光纤，表面芯光纤一端与光源相连，在表面芯光纤的中部通过热熔旋转拉锥形成一段螺旋锥体表面芯光纤，纤芯中的传输光能透射出包层并在包层表面形成倏逝场。该方法可在空间上形成螺旋的捕获场，实现对微小粒子的旋进推动，主要用于生物分子、生物细胞、纳米团簇、胶体颗粒、介质颗粒等微小颗粒的推进输运。

Description

基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置及方法
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置及推动方法。
背景技术
随着平面光子结构在微流器件中应用，相比于自由空间系统，基于倏逝场光学捕获与传输的光学系统体现出更大的优越性。因为基于倏逝场光学捕获与传输的光学系统的操纵区域不会受到激光光斑尺寸的限制，所以这种光学系统可应用于长距离驱动，而且仅受限于系统的散射和吸收损耗。此外，随着光刻刻蚀技术应用于平面光学器件的制造中，可以同时在平面光学器件中形成大面积捕获区域，从而增加了器件的集成度，减少了成本，使器件朝着高密度低成本的方向发展。我们还可以利用高折射率材料控制光场能量的分布区域的空间尺寸，使之远小于自由空间光的波长，从而来实现纳米微粒的捕获与输运。
自1992年S.Kawata和T.Sugiura(Opt.Lett.17，772-774，1992)第一次证明了可以用棱镜产生的倏逝场对微粒进行操纵后，基于倏逝场的微粒操作得到了逐步的发展。
人们利用光波导产生的倏逝波对多种微粒的操作进行了研究。Grujic等(Opt.Commun.239，227-235，2004)对沿着铯离子交换法制作的波导运动的微粒进行了研究，使小生物分子吸附在乳胶球上进而可以被光场操纵，并且用同样的方法制作了Y形分支结构的波导，通过改变在多模主干波导的光场分布来观测分支结构对微粒的筛选效率(Optics Express.13，1-7，2005)。Gaugiran等(Opt.Express，vol.13，pp.6956 6963，Sep.2005)用氮化硅波导使2μm的玻璃球在20mW的输出功率下产生了15μm/s的推进速度，相比于铯离子交换制作的波导，它的推进效率提高了20倍。同时，他们对红细胞和酵母细胞进行了操纵，这是首次把这项技术应用于生物细胞的操作上，并成功的使红细胞和酵母细胞的推进速度达到1μm/s。
此外，Yang等(Nature.Letters，Vol.457，pp.71-75，January.2009)采用狭缝波导对微小粒子的光操纵进行了研究。这种狭缝波导把电磁能量缩减到60nm的尺寸内，以此来克服光的衍射问题。并用这种方法捕获和传输了75nm的电介质纳米球和λ-DNA分子。相比于传统的点捕获，这种方法可以看为是线捕获，因此可以对延展的生物大分子进行直接的操作。而Sheu等(OPTICS EXPRESS，Vol.18，No.6，pp.5574-5579，2010)通过光纤锥体产生的倏逝场对微粒进行操纵。他们把一根标准的125μm直径的单模传输光纤拉成腰直径为50μm的锥形光纤，当通入960m激光后，可以使10μm的微球产生6.25μm/s的推进速率。
尽管上述的各种微小粒子的捕获和输运的方式具有一定的优点，但仍然存在一些不足。例如，波导对微小粒子输运的方式单一，操作不够灵活等等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可在空间上形成螺旋的捕获场，实现对微小粒子的旋进推动的基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置。本发明的目的还在于提供一种基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动的方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置包括一段表面芯光纤，表面芯光纤一端与光源相连，在表面芯光纤的中部通过热熔旋转拉锥形成一段螺旋锥体表面芯光纤，纤芯中的传输光能透射出包层并在包层表面形成倏逝场。
本发明的基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置还可以包括：
1、所述的表面芯光纤纤芯中心距包层中心的距离d满足以下关系：0≤d≤(dclad-dcore)/2，dclad为包层直径，dcore为纤芯直径。
2、所述的表面芯光纤纤芯为单芯或多芯，多芯数目大于或等于2。
3、所述的表面芯光纤横截面纤芯的形状是圆形、椭圆形、拱形、矩形或多边形的一种。
4、所述的表面芯光纤纤芯中的传输模式的特征是单模或多模。
5、所述的多芯表面芯光纤纤芯几何分布特征是圆形分布、三角形分布、四边形分布或多边形分布的一种。
本发明的基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动方法为：一段表面芯光纤的一端与光源相连，在表面芯光纤的中部通过热熔旋转拉锥形成一段螺旋锥体表面芯光纤构成推动装置；螺旋锥体表面芯光纤纤芯中的传输光经过光纤锥体区域时，由于纤芯位置靠近包层表面，纤芯中的传输光以倏逝波的形式透射出包层；若透射出的倏逝波作用于微小粒子，则产生光学力，该光学力的矢量从光功率最小值指向光功率最大值，并且分解为指向光纤纤芯中心的梯度力和沿着光传播方向的光辐射压力，这两个力就是微小粒子受到的捕获力和推进力；微小粒子在这个两个力的作用下，沿着紧靠纤芯一侧的光纤表面运动。
由于螺旋锥体表面芯光纤纤芯的空间分布呈螺旋状，因此微小粒子的运动是旋进。这样，就实现了基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动。
与现有技术相比，本发明的优点为：
1、可以实现微小粒子的旋进推动；
2、可形成螺旋分布的粒子空间捕获区域，并可通过光纤的平移和旋转来改变空间捕获区域。
附图说明
图1是基于单芯螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置示意图；
图2是基于单芯螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置的横截面图；
图3是基于双芯螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置示意图；
图4是基于双芯螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置的横截面图；
图5是光源尾纤与单芯表面芯光纤的焊接示意图；
图6是连接有光源尾纤的单芯螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置示意图；
图7(a)是纤芯为圆形分布结构的表面芯光纤横截面图；图7(b)是纤芯为意多边形分布结构的表面芯光纤横截面图。
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-图2，本发明第一种实施方式具有单芯螺旋锥体表面芯光纤(包含螺旋锥体表面芯光纤部分1和一般表面芯光纤部分2)。在螺旋锥体表面芯光纤部分1，纤芯3中的传输光4以倏逝波的形式透射出包层5并作用在微小粒子6上，这部分透射出的倏逝场7对微小粒子6产生捕获力8和辐射压力9，使之沿着紧靠纤芯一侧的光纤表面运动，由于螺旋锥体表面芯光纤部分1的纤芯呈螺旋分布，因此微小粒子6会向着纤芯3中光波的传输方向旋进，实现了基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动。(附图中视野前方能看见的微小粒子6用无填充的圆表示，视野后方不能看见的微小粒子6用斜线填充的球表示)。
结合图3-图4，本发明第二种实施方式具有多芯结构的螺旋锥体表面芯光纤。多芯结构的每一个纤芯都可以看成是一个独立的微小粒子输运器，因此相比于第一种实施方式，采用多芯结构的螺旋锥体表面芯光纤可以同时旋进推进更多的微小粒子。
实施例1：
1、耦合连接：取一段单芯表面芯光纤，将光纤一端进行涂覆层祛除、切割，然后与带光源尾纤的单模光纤10进行对准焊接。在图5所示的焊点11处进行加热至软化状态，然后进行拉锥，并进行光功率监测，直到耦合到单芯表面芯光纤的光功率达到最大时为止；
2、封装保护：将内径大于标准光纤或单芯表面芯光纤的石英管调至图6所示的锥体耦合区12处，然后在石英管两端用CO2激光器加热焊接密封，或者用环氧树脂封装固化，然后进行二次涂覆完成整体保护；
3、锥体拉制：将制备好的与光源尾纤连接的表面单芯光纤的中部进行涂覆层祛除，然后置于具有旋转平台的光纤拉锥机上，加热至软化状态，然后进行旋转拉锥，拉制成如图6所示的纤芯空间分布呈螺旋状的锥体表面芯光纤，这样基于单芯螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动器制作完成。
4、微粒输运：向制备好的单芯螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动器通入激光13后，在螺旋锥体表面芯光纤部分1，靠近纤芯附近的微小粒子6会被捕获并在光纤表明沿着纤芯中光的传输方向旋进推进。
实施例2：
第一种实施例中的单芯螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动器也可以采用纤芯为圆形排列分布结构、三角形排列分布结构、四边形排列分布结构或其它多边形排列分布结构的表面芯光纤替代，如图7。

Claims (6)

1.一种基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置，包括一段表面芯光纤，表面芯光纤一端与光源相连，其特征是：在表面芯光纤的中部通过热熔旋转拉锥形成一段螺旋锥体表面芯光纤，纤芯中的传输光能透射出包层并在包层表面形成倏逝场；所述的表面芯光纤的纤芯位置靠近包层表面，纤芯中心距包层中心的距离d满足以下关系：0＜d≤(dclad-dcore)/2，dclad为包层直径，dcore为纤芯直径。
2.根据权利要求1所述的基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置，其特征是：所述的表面芯光纤纤芯为单芯或多芯，多芯数目大于或等于2。
3.根据权利要求2所述的基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置，其特征是：所述的表面芯光纤横截面纤芯的形状是圆形、椭圆形、拱形或多边形的一种。
4.根据权利要求3所述的基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置，其特征是：所述的表面芯光纤纤芯中的传输模式的特征是单模或多模。
5.根据权利要求4所述的基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动装置，其特征是：所述的多芯表面芯光纤纤芯几何分布特征是圆形分布或多边形分布的一种。
6.一种基于螺旋锥体表面芯光纤的微小粒子旋进推动方法，其特征是：一段表面芯光纤的一端与光源相连，在表面芯光纤的中部通过热熔旋转拉锥形成一段螺旋锥体表面芯光纤构成推动装置，所述的表面芯光纤的纤芯位置靠近包层表面，纤芯中心距包层中心的距离d满足以下关系：0＜d≤(dclad-dcore)/2，dclad为包层直径，dcore为纤芯直径；螺旋锥体表面芯光纤纤芯中的传输光经过光纤锥体区域时，由于纤芯位置靠近包层表面，纤芯中的传输光以倏逝波的形式透射出包层；若透射出的倏逝波作用于微小粒子，则产生光学力，该光学力的矢量从光功率最小值指向光功率最大值，并且分解为指向光纤纤芯中心的梯度力和沿着光传播方向的光辐射压力，这两个力就是微小粒子受到的捕获力和推进力；微小粒子在这两个力的作用下，沿着紧靠纤芯一侧的光纤表面运动。
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