CN105068238B - 基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控系统 - Google Patents

Abstract

基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控系统，包括单模光纤，渐变折射率多模光纤，微流通道，渐变折射率多模光纤上设置有应变调节部，应变调节部的两端设置有用于对应变调节部进行拉伸的第一位移台、第二位移台，渐变折射率多模光纤一端与单模光纤熔接，另一端位于微流通道内。第一位移台、第二位移台均可对应变调节部施加轴向应力，使应变调节部产生轴向微应变，进而调节光在渐变折射率多模光纤中的传输特性，实现光纤光操控方法的操控距离可调。所述微流通道可以提供恒定的流速形成恒定的流体力，与出射光场产生的光学力平衡，对样品微粒远程无损伤的操控。本发明提供的光纤光操控方法结构简单，成本低，易于操控，可实现操控距离可调。

Description

基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控系统

技术领域

本发明涉及一种光纤技术领域，特别涉及基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控系统。

背景技术

光操控方法自从1970年由美国科学家Ashkin及其同事首次提出（Physicalreview letters,24(4),1560,1970）以来，逐渐成为探索微观世界的科学研究工具，使人们在许多研究中从被动观察转而主动的操控。光操控方法技术的原理是通过一些装置或技术手段，如大数值孔径透镜、光纤拉锥等会聚激光光束形成光学势阱，进而对微纳米级的微粒进行捕和操控。光操控方法对微粒是一种非机械接触式无损伤的操控，因此在生命科学、生化研究等领域被广泛应用于样品的操控、分选与分析。传统的光操控方法多为基于高数值孔径显微物镜的激光光操控方法，这种光操控方法体积庞大，造价较高，并且不易操作。

光纤光操控方法大多使用熔融、拉伸或化学腐蚀的方法制作光纤锥，从而提高光的会聚效果。通常是基于单模光纤制作，然而单模光纤的纤芯直径小于10um,使得这些制作而成的光纤光操控方法具有如下缺点：第一，较小的纤芯直径将限制光纤尖端的微透镜半径，使得聚焦距离较短，限制了捕获距离；第二，微透镜在尖端处需要制作成特殊形状来增加聚集能力进而增加捕获的梯度力，将使得锥尖的制作过程变得很复杂；第三，单模光纤的锥尖尖端若有一些缺陷或表面较粗糙，容易导致束缚在纤芯中的光被散射。

随着光微流的引入，进而提高了光操控的稳定性并延长了操控距离。Gong Y.等（Optofluidic tunable manipulation of microparticles by integrating graded-index fiber taper with a microcavity[J].Optical Express,2015,23(3):3762-3769）提出了一种基于渐变多模光纤锥与微流通道结合的新型光操控方法，该光操控方法通过流体力与光学力的平衡，实现了较大的操控范围。这种光操控方法在渐变折射率多模光纤和单模光纤间引入空气腔，通过调节空气腔长度实现近20微米的操控范围。然而该光操控方法还存在一些不足。首先，基于光纤锥的光纤光操控方法，其锥的制作以及锥形的特异性，增加了装置的复杂度和不可重复性。其次，依靠增加激光功率的方式增大操控距离和能耗，并存在损伤样品的危险，限制了其在生物领域中的应用。

针对上述问题，本发明提出了基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控系统。

发明内容

本发明的目的在于：提供基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控系统，通过对应变调节部施加轴向应力，进而调节光纤光操控方法端面的位置，从而实现对捕获微粒进行操控，操作简单且操控范围大，从而解决现有技术中基于高数值孔径显微物镜的激光光操控方法体积庞大，造价高，不易操作等技术问题。

本发明提供了一种基于渐变折射率多模光纤的光纤光操控装置的制作方法，该制作方法相对于现有技术中的基于光纤锥的光纤光操控方法，其光纤光锥制作工艺复杂，本发明采用切割平整的端面，降低了制作的难度，可有效提高光纤光操控方法的可重复性，降低损伤样品的风险。

本发明还提供了一种基于渐变折射率多模光纤的光纤光操控装置的使用方法，操作步骤简单，便于操控。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控系统，包括单模光纤，渐变折射率多模光纤，微流通道，渐变折射率多模光纤上设置有应变调节部，应变调节部之间设置有用于对应变调节部进行拉伸的第一位移台、第二位移台，渐变折射率多模光纤一端与单模光纤熔接，另一端位于微流通道内。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述渐变折射率多模光纤的两端均为切割平整的端面。

进一步地，为了更好的实现本发明，应变调节部为在渐变折射率多模光纤上选取的任一段，且应变调节部在原自由长度的基础上可拉伸的长度范围为0～700um。其中应变调节部原自由长度为不小于50.0cm，即应变调节部最低选取长度为50.0cm，可拉伸的最大长度为700um，该拉伸长度可实现多模光纤传输路径周期性的调控，同时在该拉伸长度范围内，防止多模光纤发生非弹性形变。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述微流通道的截面尺寸为300um×300um，长度为2cm。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述渐变折射率多模光纤的纤芯直径大于单模光纤的纤芯直径。

本发明还提供了一种基于渐变折射率多模光纤的光纤光操控装置的制作方法，具体包括以下步骤：

步骤1）：将渐变折射率光纤的两端面切割平整；

步骤2）：将渐变折射率多模光纤的一个端面与单模光纤熔接；

步骤3）：在渐变折射率多模光纤上选取一部分，将选取的一部分进行拉伸，得到应变调节部，应变调节部的两端分别固定在第一位移台、第二位移台上；

步骤4）：调节第一位移台，使渐变折射率多模光纤的另一端面穿入微流通道内。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述制作基于渐变多模光纤的应力可调谐光纤光操控方法步骤3）通过调节第一位移台、第二位移台控制应变调节部在原自由长度的基础上可拉伸的长度范围为0～700um。

本发明还提供了基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控系统的制作方法，具体包括以下步骤：

步骤a、调节第一位移台，使光场出射的渐变折射率多模光纤置于微流通道内所需的操控位置，并固定；

步骤b、将一束激光耦合进单模光纤，经过渐变折射率多模光纤，输出光场，形成光操控方法；

步骤c、通过进样泵，将样品溶液以恒定流速注入微流通道（6）内，微流通道提供恒定的流体力与输出光场提供的光学力平衡，将样品微粒捕获在固定位置光操控方法；

步骤d、、固定第一位移台（3），调节第二位移台（4），使应变调节部（5）受到轴向应力，调节光在应变调节部（5）中的传输特性，从而调节光纤光操控方法的操控距离。

本发明中光纤光操控方法的操控距离是周期性变化的，其变化周期与光在渐变折射率多模光纤中传输的会聚发散周期匹配。即光在渐变折射率多模光纤中传输路径具有周期性，在保证渐变折射率多模光纤的完整性前提下，对应变调节部进行拉伸，改变应变调节部的长度，则光在渐变折射率多模光纤中传输长度和出射光场变化，进而样品微粒的操控距离发生变化，从而实现对微流通道内样品微粒的操控距离可调节。

与现有技术相比，本发明的具有以下有益效果：

（1）本发明中利用渐变折射率多模光纤的自聚焦效应增加光场的会聚效果，采用切割平整的光纤光操控方法端面形成光操控方法，降低了光纤光操控方法的制作程序，提高操作的可重复性。

（2）本发明光纤光操控方法中在渐变折射率多模光纤中选取一部分作为应变调节部，应变调节部的两端设置第一位移台，第二位移台，通过调节第一位移台，第二位移台对应变调节部施加轴向应力，可改变光在渐变折射率多模光纤中的传输特性，从而调节光纤光操控方法端面出射光场分布，进而改变操控距离，实现长距离低光功率的非接触式无损伤操控。

（3）本发明提供的基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控系统的制作方法，该制作方法操作简单，成本低，可重复性高，可实现大批量制作。

（4）本发明提供的基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控系统的使用方法，通过对渐变折射率多模光纤施加轴向应力，使应变调节部产生微应变，调节光纤光操控方法端面的位置，实现对样品微粒进行操控，操作便利，且操控范围大。

附图说明：

图1为本发明提供的光纤光操控方法的结构示意图；

图2为本发明光纤光操控方法的光的传输路径及出射光束的几何光学示意图；

图3为本发明中被操控微球的受力示意图；

图4为本发明中实施例6中样品微粒受力示意图；

图5为采用本发明光纤光操控方法操控微粒的距离和微流通道内液体流速在不同激光功率下的关系曲线图；

图6为本发明中应变调节部的轴向微力应变对操控距离影响的关系曲线图；

图7、图8为本发明所实现的光纤光操控方法的操控结果显微图；

其中：1—单模光纤，2—渐变折射率多模光纤，3—第一位移台，4—第二位移台，5—应变调节部，6—微流通道，7—计算机，8—激光器，9—显微镜，10—注射器，11—进样泵，12—样品微粒，13—显微镜载物台。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控系统，包括单模光纤1，渐变折射率多模光纤2，微流通道6，渐变折射率多模光纤2上设置有应变调节部5，应变调节部5的两端设置有用于对应变调节部5进行拉伸的第一位移台3、第二位移台4，渐变折射率多模光纤2一端与单模光纤1熔接，另一端位于微流通道6内。

其中单模光纤1为普通单模光纤，光纤纤芯很细，纤芯直径一般为8至10um，包层直径125um，能传输一种模式的光纤，单模光纤模间色散小，总色散小，带宽宽。单模光纤可实现低损耗与小色散的光传输。

其中渐变折射率多模光纤2为多模光纤的一种，纤芯直径为50至100um，包层直径为125um。渐变折射率多模光纤2的纤芯折射率是不均匀的，按一定规律连续变化，折射率在光纤轴心处最大，随着纤芯半径的增大而逐渐减小，直到半径最大时折射率减小为包层的折射率。渐变折射率多模光纤2能传导多种模式的光线，光纤剖面折射率分布为渐变型，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，且信号畸变小。

将包层直径为125um,纤芯直径为62.5um的渐变折射率多模光纤2与包层直径为125um，纤芯直径为5.8um的单模光纤1熔接，其中熔接具体操作方法为：首先制备光纤端面，将光纤涂面层剥除，并对剥除光纤涂面层的裸纤进行清洁，防止污染，切割裸纤，将切割好的渐变折射率多模光纤2的裸纤与单模光纤1的裸纤通过熔接机熔接，其中熔接机的结构及工作原理为所属领域的公知常识，不再赘述。

本发明中应变调节部5为渐变折射率多模光纤2的一部分，即在渐变折射率多模光纤2上选取一部分作为应变调节部5，选取的长度可以根据微应变要求进行选取，优选长度不小于50.0cm，应变调节部 5的两端设置有用于对应变调节部5进行拉伸的第一位移台3和第二位移台4，具体拉伸操作方法为：固定第一位移台3，调节第二位移台4，使应变调节部5轴向拉伸，从而改变渐变折射率多模光纤2中光的传输特性，调节光纤光操控方法的操控距离，实现远距离捕获微流通道6内的样品微粒12等。其中拉伸操作步骤中涉及到的第一位移台3、第二位移台4为相同结构，其中第一位移台3、第二位移台4的具体结构及其原理为所属领域的公知常识，不再赘述。

本发明中渐变折射率多模光纤2的一端与单模光纤1熔接，另一端位于微流通道6内，其中渐变折射率多模光纤2的端面经过切割平整后，使其端面无损的穿入微流通道6内，如图2所示，渐变折射率多模光纤中光的传输路径及出射光束的几何光学示意图，根据几何光学理论和渐变折射率多模光纤的折射率分布特性，光在光纤中周期性会聚，从光纤端面出射时存在自聚焦效应，使出射光场会聚形成光操控方法。微流通道6内流体提供流体力，与渐变折射率多模光纤2端面输出的作用在样品微粒12上的光学力方向相反，且光学力与流体力平衡将样品微粒12捕获。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，所述渐变折射率多模光纤2的两端均为切割平整的端面。现有技术中渐变折射率多模光纤2的端面通常制作为光锥形状，制作难度大，且光锥端面的一端穿入微流通道6时，对样品微粒12造成损伤，本实施例中将渐变折射率多模光纤2的两端制作成切割平整的端面，降低了光纤光操控方法的制作难度，可提高操作的重复性，且避免穿入微流通道6时，对微流通道6内的样品微粒12造成损伤，其中微流通道6截面尺寸为300um×300um，长度为2cm，微流通道6内流体的流速为30～3000nl/min。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上进一步限定，应变调节部5为在渐变折射率多模光纤2上选取的任一段，且应变调节部5在原自由长度的基础上可拉伸的长度范围为0～700um。应变调节部5在原自由长度的基础上进行拉伸，具体方法为：将设置在应变调节部5一端的第一位移台3固定，调节第二位移台4，对应变调节部5进行轴向拉伸，从而改变应变调节部5中光在渐变折射率多模光纤2中的传输特性，便于对样品微粒12进行操控，且可操控范围大。

实施例4：

本实施例还提供了一种基于渐变折射率多模光纤的光纤光操控装置的制作方法，具体包括以下步骤：

步骤1）：将包层直径为125um，纤芯直径为62.5um的渐变折射率光纤光操控方法2的两端面切割平整；

步骤2）：将渐变折射率多模光纤（2）切割后的一个端面与包层直径为125um，纤芯直径为5.8um的单模光纤1熔接；

步骤3）：在渐变折射率多模光纤2上选取一段长度不小于50.0cm的部分，即得应变调节部5，在显微镜9下观察多模光纤端面，确定多模光纤端面平整后，将应变调节部5的两端分别固定在第一位移台3、第二位移台4上；

步骤4）：调节距离光纤端面较近的第一位移台3，使渐变折射率多模光纤2无损的穿入横截面为300um×300um，长度为2cm的微流通道6内。

实施例5：

本实施例在实施例4的基础上进一步限定，所述步骤3）中在渐变折射率多模光纤2上选取一部分，即应变调节部5，应变调节部5的原自由长度不小于50.0cm。且应变调节部5在原自由长度的基础上可拉伸长度范围为0～700um。通过调节第一位移台3、第二位移台4，实现轴向对应变调节部5进行拉伸，其中可根据应变调节部5产生的微应变，调节应变调节部5的拉伸量，进而实现对操控距离的调节，操控范围大，便于操作。

实施例6：

本实施例还提供了基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控系统的使用方法，具体包括以下步骤：

步骤a、固定第一位移台3，调节第二位移台4，使渐变折射率多模光纤2达到自然伸直状态，即拉直但刚好未发生形变的临界状态，并记录下此时第二位移台4的位置，作为初始位置，使光场出射的渐变折射率多模光纤2置于微流通道6内所需的操控位置，并固定；

步骤b、如图3所示，光纤光操控方法系统的结构示意图，采用980纳米激光器8激发光纤光操控方法，激光器8输出的激光耦合进单模光纤1，经过渐变折射率多模光纤2，输出光场从光纤端面射出置于微流通道6内，形成光操控方法；

步骤c、调节第二位移台4，使应变调节部5受到轴向应力，调节光在其中的传输特性，从而调节光纤光操控方法的操控距离；

步骤d、通过进样泵11，采用注射器10将样品溶液以恒定流速注入微流通道6内，微流通道的流体提供恒定的流体力与输出光场提供的光学力平衡，将样品微粒12捕获在固定位置，如图4所示，微流通道6内样品微粒12的受力示意图，其中Fv表示流体力，Ftg表示光横向梯度力，Fao表示轴向光学力，其中流体力Fv与轴向光学力Fao作用力平衡。

其中微流通道6置于显微镜载物台13上，光纤光操控方法捕获样品微粒12的过程由光学显微系统实时监测，光学显微系统由显微镜9与计算机7连接组成，便于对光纤光操控方法的距离操控，并对应变调节部5的微应变等进行显示和记录。其中光纤光操控方法操控微粒的距离和微流通道内液体流速在不同激光功率下的关系曲线如图5所示，图5结果显示，样品微粒12的操控距离随流速是递减的。固定第一位移台3，调节第二位移台4，轴向拉伸渐变折射率多模光纤5，调节光纤光操控方法的操控距离，其中光纤光操控方法的操控距离与渐变折射率多模光纤5产生的轴向微应变的关系曲线图，如图6所示。

采用功率为149.29mw的激光器8，微流通道中液体流速为150nl/min的情况下，实现可调谐光纤光操控方法操控结果显微图，如图7所示，施加于渐变折射率多模光纤的微应变分别为0，95，286，571，667，1048，1143和1238，对应光纤光操控方法的操控距离分别为713.2um，609.8um，779.1um，1027.5um，947.6um，589.2um，620.7um，771.1um。

采用功率为148.28mw的激光器8，施加应变为476情况下，微流通道6中液体流速分别为100 nl/min，200 nl/min，500 nl/min，600 nl/min，1000 nl/min，和3000 nl/min的操控距离结果，如图8所示，对应光纤光操控方法操控距离分别为1314.1um，877.4um，475.4 um,345.1um,199.0um,35.3um。通过以上对微流通道流体流速、激光器功率、施加在应变调节部的轴向微应变的调节，可以实现最长的操控距离为1314.1um。

以上调节方式均是通过对设置在应变调节部5的两端第一位移台3、第二位移台4进行调节实现，对应变调节部5施加轴向应力，从而改变光在渐变折射率多模光纤5中的传输特性，进而实现对光纤光操控方法操控距离的调节，操作简单，操控范围大。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控装置，包括单模光纤（1），渐变折射率多模光纤（2），微流通道（6），其特征在于，渐变折射率多模光纤（2）上设置有应变调节部（5），应变调节部（5）两端设置有用于对应变调节部（5）进行拉伸的第一位移台（3）、第二位移台（4），渐变折射率多模光纤（2）一端与单模光纤（1）熔接，另一端位于微流通道（6）内。

2.根据权利要求1所述的基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控装置，其特征在于，所述渐变折射率多模光纤（2）的两端均为切割平整的端面。

3.根据权利要求2所述的基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控装置，其特征在于，所述应变调节部（5）为在渐变折射率多模光纤（2）上任一段，且应变调节部（5）在原自由长度的基础上可拉伸的长度范围为0～700um。

4.根据权利要求1所述的基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控装置，其特征在于，所述微流通道（6）的截面尺寸为300um×300um，长度为2cm。

5.根据权利要求1所述的基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控装置，其特征在于，所述渐变折射率多模光纤（2）的纤芯直径大于单模光纤（1）的纤芯直径。

6.基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控装置的制作方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1）：将渐变折射率光纤（2）的两端面切割平整；

步骤2）：将渐变折射率多模光纤（2）的一个端面与单模光纤（1）熔接；

步骤3）：在渐变折射率多模光纤（2）上选取一部分，将选取的一部分进行拉伸，得到应变调节部（5），应变调节部（5）的两端分别固定在第一位移台（3）、第二位移台（4）上；

步骤4）：调节第一位移台（3），使渐变折射率多模光纤（2）的另一端面穿入微流通道（6）内。

7.根据权利要求6所述的基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控装置的制作方法，其特征在于，所述步骤3）中应变调节部（5）在原自由长度的基础上可拉伸的长度范围为0～700um。

8.基于渐变折射率多模光纤的应力可调光纤光操控装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、调节第一位移台（3），使光场出射端的渐变折射率多模光纤（2）置于微流通道（6）内的操控位置，并固定；

步骤b、将一束激光耦合进单模光纤（1），经过渐变折射率多模光纤（2），输出光场，形成光力场分布光操控方法；

步骤c、通过进样泵，将样品溶液以恒定流速注入微流通道（6）内，微流通道提供恒定的流体力与输出光场提供的光学力平衡，将样品微粒捕获在固定位置光操控方法；

步骤d、固定第一位移台（3），调节第二位移台（4），使应变调节部（5）受到轴向应力，调节光在应变调节部（5）中的传输特性，从而调节光纤光操控方法的操控距离。