CN102147503B

CN102147503B - 表面芯光纤微小粒子输运器及微小粒子输运方法

Info

Publication number: CN102147503B
Application number: CN201110047978XA
Authority: CN
Inventors: 苑立波; 邓洪昌; 关春颖
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2031-02-28
Also published as: CN102147503A

Abstract

本发明提供的是一种表面芯光纤微小粒子输运器及微小粒子输运方法。由一段表面芯光纤与光源连接构成表面芯光纤微小粒子输运器，纤芯位于或极靠近包层表面，纤芯中的传输光以倏逝波的形式透射出包层，透射出的倏逝波作用于微小粒子，产生光学力，所述光学力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。本发明可实现生物分子、生物细胞、纳米团簇、胶体颗粒、介质颗粒等微小颗粒的定向输运，并且可以通过旋转、平移光纤位置或者改变光纤的弯曲半径的方法来实现微小粒子输运地点的定位，操作简单，成本低。

Description

表面芯光纤微小粒子输运器及微小粒子输运方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及由表面芯光纤提供驱动力的微小粒子输运器，本发明也涉及一种由表面芯光纤提供驱动力的微小粒子输运方法。

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能实现微小颗粒的定向输运，并且能实现微小粒子输运地点的定位，操作简单，成本低的表面芯光纤微小粒子输运器。本发明的目的还在于提供一种表面芯光纤微小粒子输运方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的表面芯光纤微小粒子输运器，包括一段表面芯光纤，所述表面芯光纤为可以使得纤芯表面的倏逝场透射出包层的表面芯光纤，表面芯光纤的一端与光源连接。

本发明的表面芯光纤微小粒子输运器还可以包括：

1、所述的表面芯光纤的纤芯中心距包层中心的距离d满足以下关系：0≤d≤(d_clad-d_core)/2，d_clad为包层直径，d_core为纤芯直径。

2、所述的表面芯光纤纤芯为单芯或纤芯数目大于或等于2的多芯表面芯光纤。

3、所述的表面芯光纤为直表面芯光纤。

4、所述的表面芯光纤为弯曲的表面芯光纤。

5、所述的表面芯光纤为锥体状的表面芯光纤。

6、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、四边形分布或其它多边形分布的一种。

7、所述的表面芯光纤横截面纤芯的形状是：圆形、椭圆形、拱形、矩形或其他多边形的一种。

8、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。

本发明的表面芯光纤微小粒子输运方法为：

由一段表面芯光纤与光源连接构成表面芯光纤微小粒子输运器，纤芯位于或极靠近包层表面，纤芯中的传输光以倏逝波的形式透射出包层，透射出的倏逝波作用于微小粒子，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。

由于表面芯光纤的特殊结构，纤芯位于或极靠近包层表面，因此纤芯中的传输光会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，沿着紧靠纤芯一侧的光纤表面运动。实现了表面芯光纤提供驱动力的微小粒子输运。与现有技术相比，本发明的优点为：

1、可以捕获靠近纤芯一侧的微小粒子，微粒只会沿着紧靠纤芯一侧的光纤表面区域运动，微粒驱动的方向性强；

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、可以通过改变输入光的强度或者锥体光纤锥角大小或者弯曲光纤的弯曲半径大小来改变微小粒子推进的速度和距离。

附图说明

图1是直的单芯表面芯光纤微小粒子输运器结构示意图；

图2是单芯表面芯光纤微小粒子输运器的横截面示意图；

图3是弯曲单芯表面芯光纤微小粒子输运器结构示意图；

图4是锥体单芯表面芯光纤微小粒子输运器结构示意图；

图5弯曲双芯表面芯光纤微小粒子输运器结构示意图；

图6弯曲双芯表面芯光纤微小粒子输运器的横截面示意图；

图7是锥体三芯表面芯光纤微小粒子输运器结构示意图；

图8是锥体三芯表面芯光纤微小粒子输运器锥腰处的横截面示意图；

图9是直的四芯表面芯光纤微小粒子输运器示意图；

图10是直的四芯表面芯光纤微小粒子输运器横截面示意图；

图11是光源尾纤与单芯表面芯光纤的焊接对准示意图；

图12是连接有光源尾纤的直的单芯表面芯光纤微小粒子输运器结构示意图；

图13是连接有光源尾纤的弯曲单芯表面芯光纤微小粒子输运器结构示意图；

图14是连接有光源尾纤的锥体单芯表面芯光纤微小粒子输运器结构示意图；

图15是纤芯分布结构为圆形分布的表面芯光纤横截面示意图；

图16是纤芯分布结构为任意多边形分布的表面芯光纤横截面示意图。

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表面芯光纤(包含光纤纤芯1和包层2)。因为表面芯光纤的特殊结构，纤芯中的传输光3以倏逝波的形式透射出包层并作用在微小粒子4上，这部分透射出来的倏逝场5对微小粒子4产生捕获力6和辐射压力7，使之沿着紧靠纤芯一侧的光纤表面运动，实现了直的表面芯光纤输运器对微小粒子的输运。

结合图2-图3，本发明第二种实施方式具有弯曲的单芯表面芯光纤。和第一种实施方式相比，弯曲的单芯表面芯光纤透射出来的倏逝场更强，因此输运微小粒子的速度更大，但输运距离会因光纤的弯曲损耗而缩短。

结合图2和图4，本发明第三种实施方式具有锥体单芯表面芯光纤。区别于实施方式一，第三种实施方式对直的单芯表面芯光纤实施了加热熔融拉锥，所以可以在锥体的锥腰平缓区域紧靠纤芯一侧的光纤表面形成更强的倏逝场，使微小粒子4的输运速度得到提高。

图5-图10是具有多芯结构的表面芯光纤微小粒子输运器。多芯结构的每一个纤芯都可以看出是一个独立的微小粒子输运器，因此，多芯结构的表面芯光纤微小粒子输运器可以同时把不同位置的微小粒子输运到不同的地方；此外，对于纤芯分布不一致的多芯结构，由于纤芯的芯径大小和所在位置的不同导致对应的倏逝场不一样，因此，每个纤芯所对应的微小粒子输运速度会不一样。

下面列举几个本发明的加工方法实例：

实施例1：

1、耦合连接：取一段单芯表面芯光纤，将光纤两端进行涂覆层祛除、切割，然后一端与带光源尾纤的单模光纤8进行对准焊接，另一端作为微小粒子输运区域。在图11所示的焊点9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12所示的锥体耦合区10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，这样，直的单芯表面芯光纤微小粒子输运器制作完成；

3、微粒输运：把制备好的直的表面芯光纤微小粒子输运器祛除涂覆层的表面芯光纤端浸入含有一定量微小粒子4的溶液中，通入激光11后，紧靠纤芯一侧的光纤表面区域的微小粒子4将会被捕获并输运，如图12所示。

实施例2：

1、按照实施例1的步骤制作好直的单芯表面芯光纤微小粒子输运器。

3、光纤弯曲：把制备好的直的单芯表面芯光纤微小粒子输运器的表面芯光纤端进行弯曲，形成弯曲表面芯光纤12，然后固定好光纤，一个弯曲单芯表面芯光纤微小粒子输运器制作完成；

4、微粒输运：把制备好的弯曲单芯表面芯光纤微小粒子输运器浸入含有一定量微小粒子4的溶液中，通入激光11后，紧靠纤芯一侧的光纤表面区域的微小粒子4将会被捕获并输运，如图13所示。

实施例3：

2、锥体拉制：把制备好的直的单芯表面芯光纤微小粒子输运器含有表面芯光纤的一端置于光纤拉锥机上，加热至软化状态，然后进行拉锥，形成锥体13。这样，一个锥体单芯表面芯光纤微小粒子输运器制作完成；

4、微粒输运：把制备好的锥体单芯表面芯光纤微小粒子输运器浸入含有一定量微小粒子4的溶液中，通入激光11后，紧靠纤芯一侧的光纤表面区域的微小粒子4将会被捕获并输运，如图14所示。

实施例4：

以上3种实施例中的表面芯光纤微小粒子输运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15和图16。

Claims

1.一种表面芯光纤微小粒子输运器，其特征是：包括一段表面芯光纤，所述表面芯光纤为纤芯位于或极靠近包层表面、可以使得纤芯表面的倏逝场透射出包层的光纤，表面芯光纤的一端与光源连接；在表面芯光纤的纤芯中的传输光会以倏逝波的形式透射出包层，透射出的倏逝波作用于微小粒子，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、并且分解为指向表面芯光纤的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表面芯光纤表面运动。

2.根据权利要求1所述的表面芯光纤微小粒子输运器，其特征是：所述的表面芯光纤的纤芯中心距包层中心的距离d满足以下关系：0≤d≤(d_clad-d_core)/2，d_clad为包层直径，d_core为纤芯直径。

3.根据权利要求2所述的表面芯光纤微小粒子输运器，其特征是：所述的表面芯光纤为直表面芯光纤。

4.根据权利要求2所述的表面芯光纤微小粒子输运器，其特征是：所述的表面芯光纤为弯曲的表面芯光纤。

5.根据权利要求2所述的表面芯光纤微小粒子输运器，其特征是：所述的表面芯光纤为锥体状的表面芯光纤。

6.根据权利要求1-5任何一项所述的表面芯光纤微小粒子输运器，其特征是：所述的表面芯光纤纤芯为单芯或纤芯数目大于或等于2的多芯表面芯光纤。

7.根据权利要求6所述的表面芯光纤微小粒子输运器，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、三角形分布、四边形分布或其它多边形分布的一种。

8.一种表面芯光纤微小粒子输运方法，其特征是：由一段表面芯光纤与光源连接构成表面芯光纤微小粒子输运器，所述表面芯光纤为纤芯位于或极靠近包层表面、可以使得纤芯表面的倏逝场透射出包层的光纤，纤芯中的传输光以倏逝波的形式透射出包层，透射出的倏逝波作用于微小粒子，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。