CN105891943A - 一种基于双芯光纤的液滴悬挂式焦点可调光镊 - Google Patents

一种基于双芯光纤的液滴悬挂式焦点可调光镊 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种基于双芯光纤的液滴悬挂式焦点可调光镊。双芯光纤上开有小孔，毛细管套在双芯光纤的小孔和点胶针管针头的外部，毛细管的两端密封，注射器与点胶针管相连，注射器经点胶针管向毛细管内注满液体，液体通过小孔进入双芯光纤的空气孔，在双芯光纤端面处形成液滴半球，光纤光源发出的光经单模尾纤传输入射到双芯光纤的两个纤芯，经过液滴半球的折射，最终汇聚于液滴前方形成光阱力捕获点实现对微粒捕获，通过改变注射器的压力控制液滴半球弧度变化，改变捕获点位置，实现对微粒捕获位置的调节。本发明可精密地实现对捕获粒子的前后位置调节，在光纤探针不移动的情况下可以实现粒子的位置移动，在生物医学领域具有较广阔的应用价值。

Description

一种基于双芯光纤的液滴悬挂式焦点可调光镊
技术领域
本发明涉及的是一种光纤光镊，具体地说是一种能够稳定且微调捕获焦点位置的基于双芯光纤的液滴悬挂式焦点可调光镊。
背景技术
光镊是一种对微观世界进行探究的重要工具，特别是对微小粒子研究领域，微小粒子由于其较难控制性的特点在抓取和控制上有很大的技术难度，光镊的出现很好地解决了这一问题。光镊技术是利用在光纤端面所汇聚的光束形成的光学势阱，对尺度在纳米或者微米量级的微小粒子进行非入侵式的捕获和操控。由于生物微粒或细胞对光具有良好的穿透性，利用光镊对微粒或细胞进行操控不会对其产生机械式的破坏与伤害，因此光镊特别适合对生物粒子进行操控。光镊还可以应用于测量微观粒子所产生的位移。重要的是光纤光镊技术凭借体积小、造价低、使用方便、灵活等优势得到飞速发展，且光镊技术多应用于流体力学，生物医学，生物化学生物物理学等需要微小粒子进行独立研究的领域。
哈尔滨工程大学刘志海[Optics Letters,38(14):2617-2620,213等人提出了一种基于模式复用技术的单光纤光镊，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，其机理是利用模式复用来改变焦点的位置，由于对光场模式的调制难以准确控制，而且通过切换模式实现的捕获点改变距离较小，因而对粒子的移动操作仍然比较困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体积小、结构稳定、焦点可调节，且动态范围大的基于双芯光纤的液滴悬挂式焦点可调光镊。
本发明的目的是这样实现的：
包括光纤光源1、双芯光纤2、毛细管3、点胶针管4、注射器5，双芯光纤2上开有小孔2-1，毛细管3套在双芯光纤的小孔2-1和点胶针管4针头的外部，毛细管3的两端密封，注射器5与点胶针管4相连，注射器5经点胶针管4向毛细管3内注满液体，液体通过小孔2-1进入双芯光纤的空气孔2-3，在双芯光纤2端面处形成液滴半球2-2，光纤光源1发出的光经单模尾纤传输入射到双芯光纤2的两个纤芯，经过液滴半球2-2的折射，最终汇聚于液滴前方形成光阱力捕获点实现对微粒捕获，通过改变注射器5的压力控制液滴半球2-2弧度变化，改变捕获点位置，实现对微粒捕获位置的调节。
本发明还可以包括：
1、所述的光纤光源1光源是中心波长为980nm的激光光源。
2、所述的一种双芯光纤2的参数是：光纤外径125μm，两纤芯间距110μm，空气孔直径100μm，两纤芯的折射率1.467。
3、所述的毛细管3为玻璃毛细管，其参数是：外径2.0mm，厚度0.45mm。
4、所述的液滴半球2-2为的组成液体为大折射率的油性液体，选择为橄榄油。
本发明提出的基于双芯光纤的液滴悬挂焦点可调光镊可以通过改变液滴的形状及大小来调节焦点位置，易于操作，拓宽了焦点可调节的范围，可以实现大范围的焦点可调光镊，而且具有低成本，制作方法简单的优势。
本发明的基于双芯光纤的液滴悬挂式焦点可调光镊，不仅具备一般光纤光镊体积小、价格低廉的特点，而且可以通过控制双芯光纤端面的液滴形状来调节光束聚焦位置，从而实现对粒子的捕获与移动控制。本发明的焦点可调光镊易于控制，能够实现较大范围的粒子移动，完善了光纤光镊的操控功能，为光纤光镊的实用化提供了新的可能性。
本发明的有益效果在于：
本发明创新性地将双芯光纤与可调谐形状的液滴相结合，作为光镊的捕获探针，通过改变液滴表面弧度的形式可以实现对捕获粒子的前后位置的精密调节，在光纤探针不移动的情况下可以实现粒子的位置移动，为粒子的微控制提供了新的思路，进一步完善了光纤光镊的功能，在生物医学领域具有较广阔的应用价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2a至图2b为双芯光纤液滴悬挂式焦点可调光镊的捕获粒子原理示图。
图3双芯光纤端面示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明进行更为详细的论述：
本发明实施方式的目的在于提供一种体积小、结构稳定、焦点可调节，且动态范围大的一种基于双芯光纤的液滴悬挂式焦点可调的光纤光镊。其结构简单易行，不仅具有体积小、成本低、成品率高的特点，且由于其焦点可控的特点，特别适合需要细微调节粒子捕获点时的特殊环境。
结合图1，本发明的基于双芯光纤的液滴悬挂式焦点可调光镊的构成包括光纤光源1、双芯光纤2、小孔2-1、液滴半球2-2、双芯光纤空气孔2-3、毛细管3、点胶针管4、注射器5、环氧树脂胶6，毛细管3套在双芯光纤小孔2-1与点胶针管4针头的外侧，用环氧树脂胶6将毛细管3两端进行密封，使其形成密闭空间，用注射器5向毛细管3内注满液体，继续加压，液体通过小孔2-1进入双芯光纤空气孔2-3内，在双芯光纤2端面处形成一定弧度的液滴半球2-2，通过改变注射器5的压力，实现对液滴半球2-2弧度的控制，光纤光源1发出的光经其单模尾纤传输，入射到双芯光纤2的两个纤芯，经过液滴半球2-2的折射，最终汇聚于液滴前方某点处，形成光阱力捕获点，液滴半球2-2弧度变化，则捕获点位置相应改变，实现对微粒捕获位置的调节。
本发明的优选方案包括：
光纤光源1光源选择中心波长为980nm的激光光源。
双芯光纤2的参数是：光纤外径125μm，两纤芯间距110μm，空气孔直径100μm，两纤芯的折射率1.467。
毛细管3选择玻璃毛细管，其参数可以是：外径2.0mm，厚度0.45mm。
点胶针管4的直径可以是0.7mm。
注射器5是容量为5ml的注射器。
液滴半球2-2的组成液体为折射率较大的油性液体,选择为橄榄油等。
本发明是通过如下方法制备的：
1、取一段双芯光纤2，长度大约为1m，在双芯光纤2的两端剥除光纤的涂覆层大约20mm～30mm，使用无纺布蘸取酒精和乙醚的混合液，反复擦拭光纤包层，直至完全清洁后备用；
2、用光纤切割刀将清洁后的双芯光纤2的两端进行切割平整；
3、用CO2激光器将双芯光纤2侧面打小孔2-1，小孔2-1直径约为40μm，孔的位置需避开纤芯，位于双芯光纤2的两个纤芯之间。
4、将点胶针管4和注射器5连接在一起，用环氧树脂胶6进行密闭封装，并在注射器5中抽放一定量的橄榄油。
5、将带小孔2-1的一段双芯光纤2和点胶针管4装在毛细管3中，并将毛细管3的两端用环氧树脂胶6封装。
6、通过注射器5经过点胶针管4向毛细管3中注射橄榄油，油性液体通过双芯光纤2所开的小孔2-1和双芯光纤空气孔2-3到达双芯光纤2端面，形成液滴半球2-2。
7、将双芯光纤2光镊探头部分放置于水中，并将需要捕获的粒子置于水环境中。
8、将光纤光源1打开，可以发现在双芯光纤2的光束出射端即悬挂液滴半球2-2端，处于光束的焦点处的粒子被捕获。
9、改变注射器5的压强大小，进而改变液滴半球2-2的大小和形状，即可发现粒子被推向新的光阱力捕获点，从而形成基于双芯光纤2的悬挂式焦点可调光镊。

Claims (9)

1.一种基于双芯光纤的液滴悬挂式焦点可调光镊，包括光纤光源[1]、双芯光纤[2]、毛细管[3]、点胶针管[4]、注射器[5]，其特征是：双芯光纤[2]上开有小孔[2-1]，毛细管[3]套在双芯光纤的小孔[2-1]和点胶针管[4]针头的外部，毛细管[3]的两端密封，注射器[5]与点胶针管[4]相连，注射器[5]经点胶针管[4]向毛细管[3]内注满液体，液体通过小孔[2-1]进入双芯光纤的空气孔[2-3]，在双芯光纤[2]端面处形成液滴半球[2-2]，光纤光源[1]发出的光经单模尾纤传输入射到双芯光纤[2]的两个纤芯，经过液滴半球[2-2]的折射，最终汇聚于液滴前方形成光阱力捕获点实现对微粒捕获，通过改变注射器[5]的压力控制液滴半球[2-2]弧度变化，改变捕获点位置，实现对微粒捕获位置的调节。
2.根据权利要求1所述的基于双芯光纤的液滴悬挂式焦点可调光镊，其特征是：所述的光纤光源[1]光源是中心波长为980nm的激光光源。
3.根据权利要求1或2所述的基于双芯光纤的液滴悬挂式焦点可调光镊，其特征是所述的一种双芯光纤[2]的参数是：光纤外径125μm，两纤芯间距110μm，空气孔直径100μm，两纤芯的折射率1.467。
4.根据权利要求1或2所述的基于双芯光纤的液滴悬挂式焦点可调光镊，其特征是：所述的毛细管[3]为玻璃毛细管，其参数是：外径2.0mm，厚度0.45mm。
5.根据权利要求3所述的基于双芯光纤的液滴悬挂式焦点可调光镊，其特征是：所述的毛细管[3]为玻璃毛细管，其参数是：外径2.0mm，厚度0.45mm。
6.根据权利要求1或2所述的基于双芯光纤的液滴悬挂式焦点可调光镊，其特征是：所述的液滴半球[2-2]的组成液体为橄榄油。
7.根据权利要求3所述的基于双芯光纤的液滴悬挂式焦点可调光镊，其特征是：所述的液滴半球[2-2]的组成液体为橄榄油。
8.根据权利要求4所述的基于双芯光纤的液滴悬挂式焦点可调光镊，其特征是：所述的液滴半球[2-2]的组成液体为橄榄油。
9.根据权利要求5所述的基于双芯光纤的液滴悬挂式焦点可调光镊，其特征是：所述的液滴半球[2-2]的组成液体为橄榄油。
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