CN102147501B

CN102147501B - 沿侧面抛磨开槽方向运动的光纤微小粒子定向驱动器及方法

Info

Publication number: CN102147501B
Application number: CN 201110047634
Authority: CN
Inventors: 苑立波; 邓洪昌; 杨军
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: CN102147501A

Abstract

本发明提供的是一种沿侧面抛磨开槽方向运动的光纤微小粒子定向驱动器及方法。包括一段直的或弯曲的光纤，光纤的一端与光源相连，所述光纤的侧面有抛磨区域和开槽，开槽位置位于光纤的纤芯正上方的抛磨区域，抛磨区域和开槽使纤芯中的传输光以倏逝场的形式透射出包层进入开槽区域让所驱动的微小粒子自由通过。本发明的驱动器主要用于生物分子、生物细胞、纳米团簇、胶体颗粒、介质颗粒等微小颗粒的驱动，可以通过调节光纤的输入光强度或光纤的弯曲半径来改变微小粒子的驱动速率和驱动距离，微小粒子的定向驱动性极强。

Description

沿侧面抛磨开槽方向运动的光纤微小粒子定向驱动器及方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及的是沿侧面抛磨开槽方向运动的光纤微小粒子定向驱动器。本发明也涉及沿侧面抛磨开槽方向运动的光纤微小粒子定向驱动方法。

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Shen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以通过调节光纤的输入光强度或光纤的弯曲半径来改变微小粒子的驱动速率和驱动距离，微小粒子的定向驱动性极强的沿侧面抛磨开槽方向运动的光纤微小粒子定向驱动器。本发明的目的还在于提供一种沿侧面抛磨开槽方向运动的光纤微小粒子定向驱动方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的沿侧面抛磨开槽方向运动的光纤微小粒子定向驱动器包括一段直的或弯曲的光纤，光纤的一端与光源相连，所述光纤的侧面有抛磨区域和开槽，开槽位置位于光纤的纤芯正上方的抛磨区域，抛磨区域和开槽使纤芯中的传输光以倏逝场的形式透射出包层进入开槽区域让所驱动的微小粒子自由通过。

本发明的沿侧面抛磨开槽方向运动的光纤微小粒子定向驱动器还可以包括：

1、所述的纤芯中心距开槽底部的距离d满足以下关系：d_core/2≤d＜d_clad/2，d_core为纤芯直径，d_clad为包层直径。

2、所述光纤为单芯光纤或多芯光纤。

3、所述的光纤的开槽形状是三角形、矩形、梯形、弧形或多边形的一种。

4、所述的纤芯横截面的形状是：圆形、椭圆形、拱形、矩形或多边形的一种。

5、所述的侧面抛磨开槽光纤纤芯中的传输模式特征是单模或多模。

6、所述的多芯侧面抛磨开槽光纤的纤芯几何分布特征是：线性分布或曲线分布。

本发明的沿侧面抛磨开槽方向运动的光纤微小粒子定向驱动方法为：由一段直的或弯曲的光纤与光源相连构成定向驱动器，所述光纤的侧面有抛磨区域和开槽，开槽位置位于光纤的纤芯正上方的抛磨区域；纤芯中的传输光以倏逝场的形式透射出包层进入开槽区域，若透射出的倏逝波作用于微小粒子，则产生光学力，所述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，这两个力为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开槽方向定向运动，实现侧面抛磨开槽光纤对微小粒子的定向驱动。

由于侧面抛磨开槽光纤的特殊结构，纤芯距开槽区包层表面的距离极近，以至于纤芯中的传输光能以倏逝场的形式透射出包层进入开槽区域。若透射出的倏逝波作用于微小粒子，则会产生光学力，该力的矢量从光功率最小值指向光功率最大值，并且可以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，沿着开槽方向定向运动。实现了侧面抛磨开槽光纤对微小粒子的定向驱动。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、微小粒子能沿着开槽方向运动，驱动方向性极强。

2、操作简单，可对光纤进行平移和旋转，以捕获并推进处于不同位置的微小粒子。

3、改变光输入功率或光纤的弯曲半径，可以改变微小粒子的驱动速率和驱动距离。

本发明的驱动器主要用于生物分子、生物细胞、纳米团簇、胶体颗粒、介质颗粒等微小颗粒的驱动，可以通过调节光纤的输入光强度或光纤的弯曲半径来改变微小粒子的驱动速率和驱动距离，微小粒子的定向驱动性极强。

附图说明

图1是沿侧面抛磨开槽方向运动的直的单芯光纤微小粒子定向驱动器结构示意图；

图2(a)-图2(d)是四种不同形式的单芯侧面抛磨开槽光纤的侧面抛磨开槽区域横截面示意图；

图3是沿侧面抛磨开槽方向运动的弯曲单芯光纤微小粒子定向驱动器结构示意图；

图4(a)是纤芯分布为线性的多芯侧面抛磨开槽光纤的侧面抛磨开槽区域横截面示意图，图4(b)是纤芯分布为任意曲线的多芯侧面抛磨开槽光纤的侧面抛磨开槽区域横截面示意图；

图5是光源尾纤与多芯光纤的焊接对准示意图；

图6是连接有光源尾纤的多芯光纤的熔融拉锥示意图；

图7是连接有光源尾纤的沿侧面抛磨开槽方向运动的直的多芯光纤微小粒子定向驱动器结构示意图；

图8是连接有光源尾纤的沿侧面抛磨开槽方向运动的弯曲的多芯光纤微小粒子定向驱动器结构示意图。

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-图2，本发明第一种实施方式具有直的单芯侧面抛磨开槽光纤(包含光纤纤芯1、包层2、侧面抛磨区域3和开槽区域4)。纤芯中的传输光5进入侧面抛磨区域3时，纤芯表面的倏逝场会透射出包层进入开槽区域4。这部分透射出的倏逝场6会对微小粒子7产生捕获力8和推进力9，在这两个力的作用下，微小粒子7会沿着开槽区域定向运动，实现直的单芯侧面抛磨开槽光纤对微小粒子的定向驱动。

对于具有弧形或三角形或四边形或梯形或其它多边形开槽结构的侧面抛磨开槽光纤，它们对微小粒子的定向驱动存在一定的差别。不同的开槽结构使透射进入开槽区域能的倏逝场存在着差别，直接影响微小粒子受到捕获力以及推进力的大小和方向，因此，微小粒子运动的路线和速度大小将会受到影响，但微小粒子始终沿着侧面抛磨开槽方向定向运动。

结合图2-图3，本发明第二种实施方式具有弯曲的单芯侧面抛磨开槽光纤。与第一种实施方式相比，第二种实施方式的侧面开槽光纤因发生了弯曲，透射进入开槽区域4的倏逝场更强，微小粒子7受到的捕获力8和推进力9也更大，所以微小粒子4的驱动速率会更大，但由于存在弯曲损耗，驱动距离会减小。

结合图4，本发明第三种实施方式具有多个纤芯的侧面抛磨开槽光纤。采用多光纤侧面抛磨开槽光纤微小粒子驱动器，可以把每一个纤芯看出是一个独立的微小粒子驱动器，因此，不管是直的多纤芯的侧面开槽光纤微小粒子驱动器还是弯曲的多纤芯侧面开槽微小粒子驱动器，都可以使用多个开槽区域同时对多个微小粒子实施定向驱动。

实施例1：

1、抛磨开槽：取一段普通单芯光纤，将光纤一端进行侧面抛磨、开槽，形成如图1所示的侧面抛磨开槽光纤，在开槽过程中应满足以下条件：(1)开槽的大小可以让微小粒子顺利通过，(2)侧面抛磨开槽光纤纤芯中心距开槽底部的距离d满足以下关系：d_core/2≤d＜d_clad/2，这样，一个直的单芯侧面抛磨开槽微小粒子定向驱动器制作完成。

2、微粒驱动：把制备好的直的单芯侧面抛磨开槽光纤微小粒子驱动器浸入含有一定量微小粒子7的溶液中，通入激光5后，开槽区域附近的微小粒子7会被捕获并沿着开槽方向定向运动，如图1所示。

实施例2：

1、按实施例1中的步骤制作好一个直的单芯侧面抛磨开槽光纤微小粒子定向驱动器；

2、把制备好的直的单芯侧面抛磨开槽光纤微小粒子定向驱动器含有侧面抛磨开槽的一端进行弯曲，然后固定好光纤，如图3，一个弯曲单芯侧面抛磨开槽光纤微小粒子定向驱动器制作完成；

3、微粒驱动：把制备好的弯曲单芯侧面抛磨开槽光纤微小粒子驱动器浸入含有一定量微小粒子7的溶液中，通入激光5后，开槽区域附近的微小粒子7会被捕获并沿着开槽方向定向运动，如图3所示。

实施例3：

1、耦合连接：取一段纤芯为线性分布的多芯光纤，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，直到耦合到多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多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、抛磨开槽：将制备好的连接有光源尾纤的多芯光纤一端进行侧面抛磨、开槽，形成侧面抛磨开槽光纤，如图7，在开槽过程中应满足以下条件：(1)开槽的大小可以让微小粒子顺利通过，(2)侧面抛磨开槽光纤纤芯中心距开槽底部的距离d满足以下关系：d_core/2≤d＜d_clad/2，这样，直的多芯侧面抛磨开槽光纤微小粒子驱动器制作完成；

4、微粒驱动：把制备好的直的多芯侧面抛磨开槽光纤微小粒子驱动器浸入含有一定量微小粒子7的溶液中，通入激光13后，开槽区域附近的微小粒子7会被捕获并沿着开槽方向定向运动，如图7所示。

实施例4：

1、按实施例3中的步骤制作好一个直的多芯侧面抛磨开槽光纤微小粒子定向驱动器；

2、把制备好的直的多芯侧面抛磨开槽光纤微小粒子定向驱动器含有侧面抛磨开槽的一端进行弯曲，然后固定好光纤，如图8，一个弯曲单芯侧面抛磨开槽光纤微小粒子定向驱动器制作完成；

3、微粒驱动：把制备好的弯曲多芯侧面抛磨开槽光纤微小粒子驱动器浸入含有一定量微小粒子7的溶液中，通入激光13后，开槽区域附近的微小粒子7会被捕获并沿着开槽方向定向运动，如图8所示。

Claims

1.一种沿侧面抛磨开槽方向运动的光纤微小粒子定向驱动器，包括一段直的或弯曲的光纤，光纤的一端与光源相连，其特征是：所述光纤的侧面有抛磨区域和开槽，开槽位置位于光纤的纤芯正上方的抛磨区域，抛磨区域和开槽使纤芯中的传输光以倏逝场的形式透射出包层进入开槽区域让所驱动的微小粒子自由通过；所述的纤芯中心距开槽底部的距离d满足以下关系：d_core/2＜d＜d_clad/2，d_core为纤芯直径，d_clad为包层直径。

2.根据权利要求1所述的沿侧面抛磨开槽方向运动的光纤微小粒子定向驱动器，其特征是：所述光纤为单芯光纤。

3.根据权利要求2所述的沿侧面抛磨开槽方向运动的光纤微小粒子定向驱动器，其特征是：所述的光纤的开槽形状是弧形或多边形的一种。

4.根据权利要求3所述的沿侧面抛磨开槽方向运动的光纤微小粒子定向驱动器，其特征是：所述的纤芯横截面的形状是圆形、椭圆形、拱形或多边形的一种。

5.一种沿侧面抛磨开槽方向运动的光纤微小粒子定向驱动方法，其特征是：由一段直的或弯曲的光纤与光源相连构成定向驱动器，所述光纤的侧面有抛磨区域和开槽，开槽位置位于光纤的纤芯正上方的抛磨区域；纤芯中的传输光以倏逝场的形式透射出包层进入开槽区域，若透射出的倏逝波作用于微小粒子，则产生光学力，所述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，这两个力为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开槽方向定向运动，实现侧面抛磨开槽光纤对微小粒子的定向驱动；所述的纤芯中心距开槽底部的距离d满足以下关系：d_core/2＜d＜d_clad/2，d_core为纤芯直径，d_clad为包层直径。