CN103996423B - 一种捕获位置横向可调的单光纤光镊 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤技术研究领域，特别涉及一种捕获位置横向可调的单光纤光镊。捕获位置横向可调节的单光纤光镊，包括普通通信用标准单模光纤，光纤光源和模式旋转装置，光纤光源的尾纤与单模光纤错位连接，在单模光纤的纤芯中激发出LP₁₁模光束，单模光纤的另一端与模式旋转装置连接后，末端制备成倾斜圆锥结构尖端，倾斜空间锥角为，由模式旋转装置旋转LP₁₁模光束剖面光斑的分布方向，使通过倾斜圆锥光纤尖汇聚的LP₁₁模光束形成的出射光场随之旋转。本发明拓展了光纤光镊技术在极端工作环境中工作的新功能；单光纤光镊可实现捕获微粒横向位置的可控调节，使其在生物医学研究领域有广泛的应用价值。

Description

一种捕获位置横向可调的单光纤光镊

技术领域

本发明属于光纤技术研究领域，特别涉及一种捕获位置横向可调的单光纤光镊。

背景技术

光镊作为一种研究微观世界科学现象的工具，由美国贝尔实验室的Ashkin及其同事于1986年首次提出[Optics Letters,18(5):288-290,1986]。光镊技术使用激光束来实现对尺度在微米、纳米量级的微粒进行非机械接触式的捕获和操作，对微粒不会产生机械损伤，因而几乎不影响粒子的周围生物环境。加之生物微粒本身对光具有良好的穿透性，使得光镊技术特别适用于生物微粒的活体或在体操作。同时，光镊可以在对微粒进行操作的过程中对微粒间的微小相互作用力进行实时检测，因而光镊又是粒子间相互作用过程中微小力的探针。这些特征使得光镊不仅是操控微小粒子的机械手，同时又是研究微小粒子静态和动态力学特性的理想工具。除此之外，光镊还可以应用在粒子筛选，显微加工等领域。同时，光镊还可以通过标定后用于测量微观粒子系统产生的微小力或位移。对光镊技术进行分析与研究，可将其应用于微流控制，胶体、流体力学和非平衡热动力学等研究领域。对光镊技术进行分析与研究，更重要的是，可以发展生物分子操作的工具，有利于促进生物化学、生物物理学领域等需要单独操纵或研究单一分子的研究领域的大力发展。

随着光纤的诞生及光纤技术的大力发展，光纤光镊逐渐得到光镊技术研究者的关注。最初发展的光纤光镊多为由多根光纤组成的多光纤光镊系统[Optics Communication,194(1-3):67-73,2001]，但由于其需要多个高精度电动微操控制多根光纤以实现微小粒子的捕获，使得光镊系统价格造价昂贵，因此逐渐被单光纤光镊系统[Optics Letters,18(21):1867-1869,1993]所取代。利用单根光纤对粒子实现三维捕获操作，其光纤尖端需要经过特殊的加工，具体的加工方法有熔融拉锥法[Optics Express,14(25):12510-12516,2006]和化学腐蚀法[Ultramicroscopy,61:165-170,1995]。不同加工方法的共同目的是能够构建合适的光纤锥形端以实现大梯度光学捕获场的构建。但是单光纤光镊也存在自身的缺点，即单光纤光镊只能空间捕获或定位一个微小粒子，难于实现捕获位置调整、捕获微粒旋转等更进一步的操作。

尽管有研究者提出系列报道[中国专利CN102147500A，CN101950049A，CN101907742A，CN101893736A，CN101881858A]，提出基于多芯光纤的单光镊技术，但这些单光纤光镊技术虽然能够解决单光纤光镊在捕获粒子的基础上更进一步操作粒子的功能，但由于多芯光纤复杂的纤芯结构，使光源注入与多个纤芯之间的光功率分配控制十分困难。此外，报道中提出的多芯光纤拉制成本较高，不易购买。因此采用普通通信用单芯光纤更利于单光纤光镊技术的推广。2013年研究者提出一种基于模式复用技术的单光纤光镊[Optics Letters,38(14): 2617–2620,2013]，该光纤光镊可实现微小粒子捕获功能的同时还能使其在光纤主轴方向进行微小的可控移动，这对基于标准通信用光纤的单光纤光镊而言是其功能上的新突破。轴向位置可调实现后，自然会想到制备出横向位移同样可调的单光纤光镊，但鉴于光纤自身轴对称的特性，光束经光纤端汇聚后光场分布仍然关于光纤主轴对称，因此在捕获位置附近横向移动始终难于实现。基于此，本专利提出一种具有倾斜光纤尖的单光纤光镊，在捕获粒子的同时还能实现其在捕获位置附近横向可控移动。

发明内容

本发明的目的在于提出一种节约了物理空间的同时，实现了单光纤光镊的捕获位置横向可调的基于倾斜光纤尖探针的捕获位置横向可调的单光纤光镊。

本发明的目的是这样实现的：

捕获位置横向可调节的单光纤光镊，包括普通通信用标准单模光纤2，光纤光源3和模式旋转装置4，光纤光源3的尾纤31与单模光纤2错位连接，在单模光纤2的纤芯21中激发出LP₁₁模光束22，单模光纤2的另一端与模式旋转装置4连接后，末端制备成倾斜圆锥结构尖端2’，倾斜空间锥角为α，由模式旋转装置4旋转LP₁₁模光束22剖面光斑的分布方向，使通过倾斜圆锥光纤尖2’汇聚的LP₁₁模光束22形成的出射光场随之旋转。

普通通信用标准单模光纤2，光纤传输单模截止波长为1310nm。

光纤光源3的输出光波长为980nm。

光纤光源3的尾纤31与单模光纤2之间错位连接,错位偏移量为1～2μm。

圆锥结构中心轴与光纤主轴不重合，存在夹角α。

本发明的有益效果在于：

拓展了基于普通通信用光纤的单光纤光镊新功能；

利用单光纤构建捕获位置可横向移动的光镊，拓展了光纤光镊技术在极端工作环境中工作的新功能；

单光纤光镊可实现捕获微粒横向位置的可控调节，使其在生物医学研究领域有广泛的应用价值。

附图说明

图1横向位置可调单光纤光镊结构及原理示意图；

图2 LP₁₁模光束剖面光场分布及其模式旋转光场分布图；

图3光纤光源尾纤与标准光纤错位连接示意图；

图4光纤旋转装置结构示意图；

图5为倾斜光纤尖制备方案示意图；

图6捕获位置横向可调原理示意图。

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：

本发明的目的在于提出一种基于倾斜光纤尖探针的捕获位置横向可调的单光纤光镊。这种单光纤光镊在节约了物理空间的同时，实现了单光纤光镊的捕获位置横向可调的新功能；同时，单光纤光镊可实现捕获微粒横向位置的可控调节，使其在生物医学研究领域有广泛的应用价值。

一种捕获位置横向可调节的单光纤光镊[1]，主要包括普通通信用标准单模光纤[2]，光纤光源[3]和模式旋转装置[4]。其主要特征在于：光纤光源[3]的尾纤[31]与单模光纤[2]错位连接，在单模光纤[2]的纤芯[21]中激发出LP₁₁模光束[22]，该单模光纤[2]的另一端与模式旋转装置[4]连接后其末端经可控制的化学腐蚀方法制备成倾斜圆锥结构尖端[2′]，其倾斜空间锥角为α，由模式旋转装置[4]旋转LP₁₁模光束[22]剖面光斑的分布方向，使得通过倾斜圆锥光纤尖[2′]汇聚的LP₁₁模光束[22]形成的出射光场随之旋转，宏观上体现为形成多个横向分布的空间稳定捕获点，这样可以通过调节LP₁₁模光束[22]的模式旋转角度最终实现微小粒子的捕获及其在捕获位置附近横向可控移动。

所述的用于制造该光纤光镊的普通通信用标准单模光纤[2]，其特征在于此光纤传输单模截止波长为1310nm。

所述的用于制造该光纤光镊的光纤光源[3]，其特征在于光纤光源[3]的输出光波长为980nm。因此在该光源发出的激光在单模光纤[2]中传输会激发出LP₁₁模光束。

所述的用于制造该光纤光镊的光纤光源[3]，其特征在于该光纤光源的尾纤与单模光纤[2]之间为错位连接,偏移量约1～2μm，以便于激发LP₁₁模光束[22]。

所述的用于制造该光纤光镊的模式旋转装置[4]，其特征在于其本质上是一个光纤扭转控制装置，即可通过扭转光纤实现LP₁₁模光束[22]光斑分布方向的改变。

所述的用于制造该光纤光镊的单模光纤末端的倾斜圆锥结构[2′]，其特征在于其圆锥结构中心轴与光纤主轴不重合，存在一定的夹角α。

用于制造该单光纤光镊的单模光纤末端的倾斜圆锥结构[2′]，其特征在于其制备可采用化学腐蚀的方法实现。

图1为横向位置可调单光纤光镊结构及原理示意图。其中[1]为可实现捕获位置横向调节的单光纤光镊，[2]为标准单模单芯光纤，[3]为光纤光源，[4]为光纤旋转装置，[2']为经由化学腐蚀方法制备而得的倾斜锥角的光纤尖，[22]为LP₁₁模光束，其两光斑中心连线与x轴重合，[22']亦为LP₁₁模光束，其特征在于它的两光斑中心连线与y轴重合。

图2为LP₁₁模光束剖面光场分布图及其模式旋转光场分布图。其中图(a)中[22]为LP₁₁模光束剖面光斑；图(b)给出LP₁₁模光束剖面模场旋转分布光场图。

图3为光纤光源尾纤与标准光纤错位连接示意图。其中[2]为标准通信用单模单芯光纤，[21]为其纤芯，纤芯直径常规9μm。[31]为光纤光源[3]的尾纤，[32]为其纤芯。由于所选择光纤光源波长小于标准光纤[2]的单模截至波长，因此纤芯[32]直径小于9μm，以980nm光纤光源为例，纤芯直径为4μm。[2-3]为错位偏移量，大约为1～2μm。

图4为光纤旋转装置[4]的结构示意图。其中[2]为标准光纤。[41]为螺旋转盘，与标准光纤固定连接，旋转螺旋转盘[41]的旋钮[42]，可使光纤绕其主轴旋转。[43]为光纤固定装置，将标准光纤[2]的两端进行固定，便于螺旋转盘[41]带动光纤旋转。

图5为倾斜光纤尖制备方案示意图。其中[7]为腐蚀用氢氟酸溶液，其浓度配比为：48％氢氟酸(HF)，40％氟化铵(NH4F)和去离子水，三者的体积比为1.5:1:1[19]。[8]为腐蚀液缓冲层，成份为1-溴癸烷。[2']为腐蚀后得到的倾斜锥尖，[α]为倾角。

图6为单光纤光镊捕获位置横向可调原理示意图。其中(a)为腐蚀的倾斜光纤锥尖[2']的结构示意图，其倾斜空间角为α。(b)和(c)为针对该倾斜光纤锥尖[2']的倾斜方向建立的空间三维坐标系，(b)显示LP₁₁模光束[22]两光斑中心连线与x轴重合，(c)显示LP₁₁模光束[22]两光斑中心连线与y轴重合，(d)，(e)和(f)为(a)，(b)和(c)的俯视图。(g)，(h)和(i)显示LP₁₁模光束[22]光斑分布不同方向时经该锥形光纤尖[2']汇聚后聚焦不同位置，形成稳定捕获点位置不同。(j)，(k)和(l)显示两种情况下捕获粒子空间位置坐标，可见由于LP₁₁模光束[22]光斑分布位置不同，形成的稳定捕获不同，通过调节LP₁₁模光束[22]光斑分布的角度，即可实现粒子在两个稳定捕获位置r₁和r₂之间的调节。

结合图1实现这种捕获位置横向可调节的单光纤光镊[1]，主要包括普通通信用标准单模光纤[2]，光纤光源[3]和模式旋转装置[4]。光纤光源[3]的尾纤[31]与单模光纤[2]错位连接，在单模光纤[2]的纤芯[21]中激发出LP₁₁模光束[22]，该单模光纤[2]的另一端与模式旋转装置[4]连接后其末端经可控制的化学腐蚀方法制备成倾斜圆锥结构尖端[2′]，其倾斜空间锥角为α，由模式旋转装置[4]旋转LP₁₁模光束[22]剖面光斑的分布方向，使得通过倾斜圆锥光纤尖[2′]汇聚的LP₁₁模光束[22]形成的出射光场随之旋转，宏观上体现为形成多个横向分布的空间稳定捕获点，这样可以通过调节LP₁₁模光束[22]的模式旋转角度最终实现微小粒子的捕获及其在捕获位置附近横向可控移动。

本实施方式的单光纤光镊的制作过程：

步骤1，LP₁₁模光束激发：结合图2和图3，为了能够在标准单模光纤[2]中激发出LP₁₁模光束[22]，将光纤光源的尾纤[31]与标准单模光纤[2]错位连接，调整合适的错位偏移量 (1～2μm)，在标准单模光纤[2]中激发出如图2(a)所示的LP₁₁模光束[22]；

步骤2，旋转控制：结合图4，在标准光纤[2]中激发出LP₁₁模光束[22]后需要将其剖面光场分布方向进行调整与控制。因此采用光纤扭转装置，将光纤两端固定，通过旋转罗盘[41]来扭转光纤，使其绕轴旋转并最终实现LP₁₁模光束[22]的分布方向，即实现由[22]状态向[22′]状态的转变与控制。

步骤3，光纤锥尖[2′]制备：结合图5，与以往所见垂直腐蚀方式不同，这里采用倾斜插入待腐蚀光纤的方法，通过控制插入光纤的倾角来控制腐蚀的光纤尖的最终倾角α。

步骤4，捕获位置可调实验：将整个系统连接完毕之后，打开光源[3]，在标准单模光纤[2]的纤芯中激发LP₁₁模光束[22]，该LP₁₁模光束[22]经锥形光纤尖[2′]汇聚后形成光学势阱，实现微小粒子[6]的光学捕获。通过扭转罗盘旋钮[42]扭转光纤以扭转LP₁₁模光束[22]剖面光场分布方向，进而改变粒子稳定捕获位置，达到捕获位置横向可调节的目的。

Claims (3)

1.一种捕获位置横向可调节的单光纤光镊，包括普通通信用标准单模光纤(2)，光纤光源(3)和模式旋转装置(4)，其特征在于：光纤光源(3)的尾纤(31)与单模光纤(2)错位连接，在单模光纤(2)的纤芯(21)中激发出LP₁₁模光束(22)，单模光纤(2)的另一端与模式旋转装置(4)连接后，末端制备成倾斜圆锥结构尖端(2’)，倾斜空间锥角为α，由模式旋转装置(4)旋转LP₁₁模光束(22)剖面光斑的分布方向，使通过倾斜圆锥光纤尖(2’)汇聚的LP₁₁模光束(22)形成的出射光场随之旋转；

所述普通通信用标准单模光纤(2)，光纤传输单模截止波长为1310nm；

所述的光纤光源(3)的输出光波长为980nm。

2.根据权利要求1所述的一种捕获位置横向可调节的单光纤光镊，其特征在于：所述的光纤光源(3)的尾纤(31)与单模光纤(2)之间错位连接,错位偏移量为1～2μm。

3.根据权利要求1所述的一种捕获位置横向可调节的单光纤光镊，其特征在于：所述圆锥结构中心轴与光纤主轴不重合，存在夹角α。