CN104698533B - 一种基于光纤的微小粒子移动装置 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种基于光纤的微小粒子移动装置。基于光纤的微小粒子移动装置，包括激光光源1、标准单模光纤3、光纤对准器2和具有合适端面形状的多芯光纤4，光源1注入单模光纤3的光经过光纤对准器2耦合至多芯光纤4的一个芯，在多芯光纤4的端面处发生折射或反射后以第一空间角度照射到溶液中。本发明基于光的热效应的捕获和操控，可用于对微小粒子的批量大范围操纵；从多芯光纤出射的光束在溶液中沿直线传播，光的热效应沿着出射光束直线向前分布，这可以使受热效应作用聚集的微小粒子沿着出射光束呈线型规则排布。

Description

一种基于光纤的微小粒子移动装置

技术领域

本发明具体涉及一种基于光纤的微小粒子移动装置。

背景技术

光捕获和光操控是指利用光来改变微小物体的运动状态，最初是通过激光光镊来实现的，后来人们发现介质界面的倏逝波也能够对物体进行捕获和操控，最近的一些研究还表明，利用光热效应和光泳也能够实现对大量微颗粒或生物体的捕获和操控。

2006年，Stefan Duhr和Dieter Braun在“Why molecules move along atemperature gradient”一文中指出，当粒子所处的液体环境存在整体的温度梯度时，能够导致颗粒沿着温度梯度的方向(一般是从高温区域到低温区域)运动。液体环境的温度梯度对物体的操控方法已被广泛应用到颗粒以及生物分子的捕获和迁移上。通过液体对光的吸收(光热效应)可以引起液体环境的整体温度梯度，因此利用光热效应可成为捕获和操控微小物体的方法之一。例如M.Ichikawa等人利用红外激光局部加热DNA分子的分散液，激光焦点附近的热对流表现为流动拉伸的长DNA分子链，即利用光热效应可以实现对DNA分子的无损批量操作，这是一种新颖的DNA延伸技术。这篇文章于2007发表于PhysRevLett.99.148104。

2010年，C.Y.Soong等在文章“Theoretical analysis for photophoresis of amicroscale hydrophobic particle in liquids”中理论分析了微小颗粒在溶液中的光泳现象，指出光泳源自颗粒吸收入射光的能量致使自身表面附近温度分布不对称而发生的定向运动，当物体的向光面能量分布更为集中时，与向光面接触的液体温度也更高，水分子撞击物体的频率高于物体背光面的撞击频率，从而引起物体由液体的高温部分(接近光源)向低温部分(远离光源)的方向运动，即正向光泳；反之，若物体的背光面能量分布更为集中，则物体会发生逆向光泳运动。一直以来，研究人员对气体中的颗粒光泳特性进行了大量的理论和实验研究，而对液体中的颗粒光泳研究甚少。由于光镊操控技术产生的光力只有10^-15-10^-12N，远小于光泳力几个数量级，因而光泳可以用来对大量颗粒进行大范围的操控，基于光泳操控技术已成为光操控或捕获的重要途径。2011年，李宝军等运用基于光泳操控技术，用亚波长光纤实现了对大量SiO₂颗粒的光捕获，他们用波长为1.55μm、功率为200W的红外光，通过直径为910nm的亚波长光纤形成线状光源悬浮在水中，对具有半径为的1.57μm的SiO₂颗粒进行了捕获，然后将亚波长光纤平行移动2μm，对捕获的颗粒又进行了迁移。

自从Ashkin等率先运用光镊技术实现对微颗粒进行光操控以来，特别是随着微操控技术的不断发展，光捕获或操控技术得到了迅猛的发展，由于其精确度高、无需接触且无损伤，其在医学、化学、物理、生物等诸多领域有着广泛的应用前景。目前,光捕获和光操控的研究及应用已从颗粒、细胞的个体研究逐渐深化到生物分子的研究，而具有大范围捕获作用的光热效应和光泳捕获及操控将在生物医学、环境卫生、微纳结构组装等领域发挥重要的作用。可以预见，光捕获和光操控将在交叉学科研究中起到越来越大的作用，也将成为交叉学科的一个前沿研究热点。

本发明旨在将多芯光纤多芯集成的优点与光热效应对颗粒的无损批量捕获的优点相结合，制作一种可以准确灵活地移动众多微小颗粒的装置。前人虽然已利用光热效应实现了对大量颗粒大范围的捕获，但是对于移动聚集颗粒的方法比较单一，即依靠光源的移动带动颗粒的移动，一般无论光源是光纤还是直接出射的光束，在二维面上的移动操作都比较简单，但是当进行三维空间中不同方位及方向的移动时，其操作既困难又不准确，本发明对多芯光纤的前端面进行加工处理，使多芯光纤各纤芯的出射光具有独特的空间出射角和不同的空间传播方向，即一根光纤集成了多个空间光出射方向，在出射光束捕获众多颗粒的同时可以通过切换不同的纤芯通光实现颗粒向希望的光出射方向准确、灵活地移动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能节约物理空间，又能增加微小粒子移动的准确性、灵活性；既可实现对微小粒子的批量、大范围操作，又可以实现微小粒子线型规则排布的基于光纤的基于光纤的微小粒子移动装置。

本发明的目的是这样实现的：

基于光纤的微小粒子移动装置，包括激光光源1、标准单模光纤3、光纤对准器2和具有合适端面形状的多芯光纤4，光源1注入单模光纤3的光经过光纤对准器2耦合至多芯光纤4的一个芯，在多芯光纤4的端面处发生折射或反射后以第一空间角度照射到溶液中，加热溶液产生冷热对流的热效应，使沉于溶液底部的微小粒子在热效应的作用力下向此光束的周围聚集，并在光束周围呈规则的线型排布，光纤对准器2将单模光纤3内的光耦合至多芯光纤4的另一个芯，光在多芯光纤4的端面处经折射或反射后以第二个空间角度照射到溶液中，微小粒子在新的热效应作用力下向第二空间角度出射光束的周围重新聚集并线型排布。

多芯光纤4是双芯、三芯或四芯微结构光纤。

多芯光纤4其纤芯可呈线型、多边形、环形几何分布。

多芯光纤4使各纤芯的出射光具有不同的空间传播方向，其半锥角α满足π/2-arcsinn_liquid/n_core<α<π/2，光纤前端制备成锥台结构。

微小粒子是直径为5μm到10μm的微小粒子。

本发明的有益效果在于：

本发明将多芯光纤多芯集成的优点应用到光的热效应对微小粒子的捕获和操控，具有合适端面的多芯光纤集成了不同的光出射角，调节光纤耦合器使不同的纤芯通光，便会有不同空间出射角的光束照射到溶液中，形成不同位置的热效应区域，沉于溶液底部的微小粒子在热效应作用力的影响下向新的出射光束转移和排布，这种微小粒子的转移装置大大节约了物理空间、增加了粒子移动的准确性和灵活性；

本发明基于光的热效应的捕获和操控，可用于对微小粒子的批量大范围操纵；

从多芯光纤出射的光束在溶液中沿直线传播，光的热效应沿着出射光束直线向前分布，这可以使受热效应作用聚集的微小粒子沿着出射光束呈线型规则排布；

虽然激光光镊同样可以用于实现对微小粒子的聚集和操纵，但是由于出射光场的分布不同，激光光镊经过聚焦的出射光束会使光热效应作用下的微小粒子聚集成团，无法形成规则的线型排布，其对出射光束具有汇聚作用的独特的光纤端面结构无法实现光出射方向的集成，粒子团的移动依旧需要依靠光源的整体移动，即激光光镊也不能准确、灵活地移动微小粒子，综上所述其无法满足设计要求。

附图说明

图1基于光纤的微小粒子移动装置结构简图。

图2a为双芯光纤剖面图。

图2b为三芯光纤剖面图。

图2c为环形几何分布的纤芯光纤剖面图。

图3为利用光纤对准器将单模光纤内的光耦合进多芯光纤一个芯的示意图,以双芯光纤为例。

图4多芯光纤端面锥台结构出射光的示意图,以双芯光纤为例。

图5多芯光纤出射光对溶液底部微小粒子捕获和操纵的俯视图,以双芯光纤为例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明的基于光纤的微小粒子移动装置包括激光光源、标准单模光纤、光纤对准器和具有合适端面形状的多芯光纤，光源注入单模光纤的光经过光纤对准器耦合进多芯光纤的一个芯，在多芯光纤的前端面处发生折射或反射后照射到溶液中，加热周围的溶液产生冷热对流的热效应，使沉于溶液底部的微小粒子在热效应的作用力下向光束的周围聚集，并在光束周围呈一定的线型排布，其中光纤对准器可以使单模光纤内的光耦合进多芯光纤的不同纤芯，当光在多芯光纤不同的纤芯间灵活切换时，在多芯光纤的前端面将有不同空间角度的出射光照射进溶液中，使热效应发生在溶液的不同位置，沉于溶液底部的微小粒子在热效应作用力的影响下将在这些不同的热效应位置间转移并重新排布。

本发明还包括这样一些结构特征：

1、所述的多芯光纤可以是双芯、三芯、四芯等微结构光纤。

2、所述的多芯光纤纤芯可呈线型、多边形、环形等几何分布。

3、所述的具有合适端面的多芯光纤，是指根据将多芯光纤前端面经特殊的加工处理后各纤芯出射光可以具有不同空间传播方向。如将纤芯对称分布的多芯光纤前端经过精细研磨加工制成锥体形状，其半锥角满足π/2-arcsin(n_liquid/n_core)<α<π/2，然后利用宝石刀将其端面切平，将光纤端面制成锥台结构，当利用光纤对准器使多芯光纤不同的纤芯通光时，光在多芯光纤端面处或折射或反射，最后以不同的方向照射进溶液中，使光的热效应发生在溶液不同的位置。

4、所述的激光光源波长与溶液的吸收系数相匹配，使溶液吸收光能量后可发生明显的热效应。

5、所述的微小粒子可以是直径为5μm到10μm的微小粒子。

图1基于光纤的微小粒子移动装置结构简图。图中以双芯光纤为例，给出了该基于光纤的微小粒子移动装置结构示意图。图中，[4]为多芯光纤，[4-1]为多芯光纤纤芯，[4-2]为经精细研磨和切割制备成的锥台结构，其半锥角α满足π/2-arcsin(n_liquid/n_core)<α<π/2，[1]为激光光源，[2]为光纤对准器，[3]为标准单模光纤。

图2多芯光纤剖面图。图中左侧为双芯光纤，中间为三芯光纤，右侧为纤芯呈环形几何分布的多芯光纤，图中阴影部分代表纤芯。

图3利用光纤对准器使单模光纤纤芯与多芯光纤一个芯对准的示意图。[5]为标准单模光纤纤芯，[4-3]为多芯光纤(以双芯光纤为例)的一个纤芯，[2]为具有三维调节架的光纤对准器，图中在光纤对准器[2]的调节下，标准单模光纤的纤芯[5]与多芯光纤(以双芯光纤为例)的一个纤芯[4-3]对准，使单模光纤内的光耦合进多芯光纤的此纤芯，[6]为此纤芯的折射型出射光束。

图4多芯光纤端面锥台结构出射光的示意图。图中以双芯光纤为例，给出了多芯光纤[4]不同纤芯通光时光经过光纤锥台端面[4-2]的折射后出射方向不同的示意图，[7]为双芯光纤锥台端面的两束出射光，可以看出由于光纤端面的锥台结构[4-2]，经端面折射后，两束光沿着不同的方向传播。

图5多芯光纤出射光对溶液底部微小粒子捕获和操纵的俯视图。图中以双芯光纤为例，利用光纤对准器使多芯光纤[4]的一个芯通光，光经过多芯光纤锥台端面的折射或反射后照射到溶液中，沉于溶液底部的微小粒子[9]受光的热效应作用向出射光束[6]周围聚集，在光束[6]周围呈线型规则排布，当利用光纤对准器使多芯光纤[4]的另一个芯通光时，光经过多芯光纤锥台端面的折射或反射后以新的空间角度照射到溶液中，已被捕获的微小粒子[9]受光的热效应作用向新的出射光束[8]周围聚集，在光束[8]周围呈线型规则排布[10]，实现了对溶液底部微小粒子的批量捕获和移动。

下面结合附图以纤芯对称分布的双芯光纤为例，对本发明做更详细地描述：

1、双芯光纤锥台端面的制作：取2m纤芯呈对称分布的双芯光纤，其可以通过波长为1.55μm的红外光，将此双芯光纤前端精细研磨制成圆锥体形状，其半锥角α满足π/2-arcsin(n_liquid/n_core)<α<π/2，利用宝石刀将圆锥体的尖端切掉制成圆锥台结构，并保证锥台面的垂直平整。

2、锥体抛光：将上述制备好的光纤锥台结构进行抛光，在显微镜下经过检测合格后，放入超声清洗槽中清洗、烘干备用；

3、组建装置系统：取波长为1.55μm的激光光源、2m标准单模光纤和具有三维调节架、可以灵活操纵光纤空间位移的光纤对准器，将标准单模光纤的两端进行处理，其中一端插入裸纤适配器，并接入激光光源输出接口，使光源的光注入单模光纤，另一端放在光纤对准器的三维调节架上进行固定，将多芯光纤未经研磨加工的一端处理后固定到光纤对准器三维调节架的对应位置，调节光纤对准器使标准单模光纤的纤芯与多芯光纤的一个纤芯对准，使光源注入单模光纤的光耦合进多芯光纤的此纤芯，取水作为溶液，直径约为5μm的SiO₂颗粒作为微小颗粒，将SiO₂颗粒投放于水中至稳定，将多芯光纤的出射光照进水中，且靠近沉于水底的SiO₂颗粒，可发现沉于水底的SiO₂颗粒在光的热效应作用下朝着光束运动，并在光束周围线型规则排布，利用光纤对准器将单模光纤内的光耦合进多芯光纤的另一个纤芯，多芯光纤的出射光方向发生改变，SiO₂颗粒在光的热效应作用下朝此新的光束移动，并在光束周围重新聚集和线型排布。

Claims (4)

1.一种基于光纤的微小粒子移动装置，包括激光光源(1)、标准单模光纤(3)、光纤对准器(2)和具有合适端面形状的多芯光纤(4)，其特征在于：激光光源(1)注入标准单模光纤(3)的光经过光纤对准器(2)耦合至多芯光纤(4)的一个芯，在多芯光纤(4)的端面处发生折射或反射后以第一空间角度照射到溶液中，加热溶液产生冷热对流的热效应，使沉于溶液底部的微小粒子在热效应的作用力下向此光束的周围聚集，并在光束周围呈规则的线型排布，光纤对准器(2)将标准单模光纤(3)内的光耦合至多芯光纤(4)的另一个芯，光在多芯光纤(4)的端面处经折射或反射后以第二个空间角度照射到溶液中，微小粒子在新的热效应作用力下向第二空间角度出射光束的周围重新聚集并线型排布；所述的具有合适端面的多芯光纤指将纤芯对称分布的多芯光纤前端经过精细研磨加工制成锥体形状，其半锥角满足π/2-arcsin(n_liquid/n_core)<α<π/2，然后利用宝石刀将其端面切平，将光纤端面制成锥台结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤的微小粒子移动装置，其特征在于：所述的多芯光纤(4)是双芯、三芯或四芯微结构光纤。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤的微小粒子移动装置，其特征在于：所述的多芯光纤(4)其纤芯呈线形、多边形、环形分布。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤的微小粒子移动装置，其特征在于：所述的微小粒子是直径为5μm到10μm的微小粒子。