CN109752789A - 基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件。其特征是：所述器件主要由一段环形芯同轴双波导光纤1组成，光纤的纤端经过研磨形成纤端圆锥台2；其中，该环形芯同轴双波导光纤1包含包层3、非圆形中央螺旋纤芯4以及环形纤芯5，中央螺旋纤芯4和环形纤芯5位于包层3的中央，该光纤可通过旋转拉丝或者先拉丝再热融扭转的方法制备。一方面，该器件可以通过环形芯同轴双波导光纤纤端出射强聚焦环形光场9，在纤端外的聚焦点附近实现对粒子10的稳定三维俘获，实现对粒子10的定位和定轴功能；另一方面，也可以通过控制中央螺旋纤芯出射的相位涡旋光束13的能量大小来实现粒子10的定轴旋转14和旋转弹射15。本发明可用于微流芯片、细胞或药物颗粒等微小颗粒的光操纵以及光纤集成器件应用等。

Description

基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件，可用于微流芯片、细胞或药物颗粒等微小颗粒的光操纵以及光纤集成器件应用等，属于光纤技术领域。

(二)背景技术

众所周知，电磁波传输的不仅是能量还有动量，这是所有物体平移运动的一种特有性质，当电磁波的动量被其它物体吸收或散射时，就会形成“辐射压力”，从而对物体形成机械压力。同样，光波也存在着角动量，这是所有转动运动的一种特性。光波角动量在光轴上可以分解为自旋角动量和轨道角动量。其中特别的是，具有光轨道角动量的光波波前呈螺旋状，因此把此时的相位状态称为“相位涡旋”。实际上，光涡旋早在一个世纪前就被发现。在1909年，Poynting首次提出光子的自旋，说明单个光子是圆偏振的。Allen及其同事在1992年报道了螺旋相位光束包含一个角相位项exp(ilφ)，这表明每个光子含有(l为拓扑荷数，φ为方位角，为普朗克常量)的轨道角动量。当拓扑荷数为零(l＝0)时，光波没有轨道角动量，波前为平面。然而，当l＝+1(或l＝-1)时，光波中的每个光子含有能量的左旋(或右旋)轨道角动量，光波的波前呈现左旋(或右旋)单螺旋结构。同样，当l＝+2(或l＝-2)时，光波中的每个光子含有能量的左旋(或右旋)轨道角动量，光波的波前则为左旋(或右旋)双螺旋结构。由于其独特的性质(具有一个额外的角向自由度)，相位涡旋光波在光通信、微粒操纵、纳米尺度显微观测等方面具有突出的应用潜力。

生成涡旋光束的最常见方法是使用空间光调制器(Optics Express,2008,16(21):16984-16992)，然而空间光调制器一般体积庞大，价格昂贵，并且需要在自由空间中实现光耦合，这样就带来许多不便。Xiuquan Ma等人(Optics Express，2011，19(27)：26515-26528)公开了一种手性耦合芯光纤，该光纤包含一个笔直的中央纤芯和一个缠绕在中央纤芯上的螺旋状侧芯(侧芯直径远小于中央纤芯)，中央纤芯的作用是传输或增强信号，一旦中央纤芯的高阶模式耦合到侧芯，高阶模式的能量就会因为侧芯的螺旋结构而发生弯曲损耗，进而辐射出光纤，仅仅将低阶模式保留在中央纤芯中，最终在中央纤芯中实现有效的单模传输。产生有效的单模传输是该光纤的主要用途。然而，由于存在侧芯螺旋结构，中央纤芯传输的基模(LP₀₁模式，无涡旋量)会和侧芯的高阶涡旋模式(例如LP₁₁涡旋模式)发生谐振耦合，因而，此时可以在侧芯光纤中观察到涡旋模式。由于只有极少部分光能量可以转化侧芯的涡旋模式，因此这种光纤的涡旋模式转化效率极低，并且侧芯的涡旋光束也不易搜集。

另外的一种涡旋光束生成方法则是利用手性光纤实现。第一类材料(主要为折射率)手性涡旋光纤。美国专利(US20080101754)和欧洲专利(EP1705503B1)公开了一种纤芯折射率仅随方位角变化的梯度折射率光纤，这种光纤可看成是纵向伸长的空间相位板，利用该光纤即可生成涡旋光束。虽然该涡旋光束生成器结构极为简单，但是制备这种光纤却非常困难。而中国专利(201310030066.0、201310030067.5和201310029915.0)则公开了多种纤芯折射率呈手性分布的特种光纤用于生成相位涡旋光束，这种光纤制备则比较容易。第二类为空间结构手性涡旋光纤。美国专利(US6839486)公开了一种对偏芯、椭圆芯、矩形芯等扭转而成的手性结构光纤，该光纤不但可以实现光栅功能，同样可以生产涡旋光束。

另一方面，为了实现微小粒子的扭转，基于涡旋光束光纤光镊马达技术应运而生。研究者们使用两根位置稍稍错位的单模光纤来实现微粒旋转(Lab on a Chip,2014,14(6):1186-1190)，该结构利用外加压力来使两个单模光纤错位，这样就造成两个单模光纤出射的高斯光场作用于微粒时，光辐射压力由于错位而形成微粒旋转的力矩，最终实现微粒旋转。但是此时微粒的捕获是极不稳定的，因此对系统的稳定性要求极其严格。为了实现稳定三维捕获，Kreysing等人采用了另一种类似的结构(Nature communications,2014,5)，他采用单模光纤出射的高斯光场和少模光纤出射的LP11模式光场把微粒夹持在中央。由于少模光纤的输入光的相位分布由空间光调制器控制，使得其输出LP11模式光场强度分布可绕光轴旋转，从而导致被这两束光捕获在中间的微粒也能随之旋转。虽然该系统可以对微粒实现稳定的三维捕获和旋转，但是该系统需要采用空间光调制器等昂贵而大型的空间光学设备，并且其灵活性不高，很难实现探针式应用。因此，研究者又利用少模光纤锥形纤端探针实现了酵母细胞的三维捕获和方向控制(Jounal ofLightwave Technol,2014,32(6):1098-103)，但该系统并不能对细胞实现稳定的旋转功能。此外，Chen等人也利用光纤LP21模式实现了对生物细胞的旋转操作(Journal ofOptics,2014,16(12):125302)，但该系统却不能对细胞形成稳定的三维捕获。为了拓展特种光纤器件的功能和实现更加灵活地粒子操纵能力，本发明公开了一种可实现粒子定轴旋转和旋转弹射的基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件及其制备方法，可用于微流芯片、细胞或药物颗粒等微小颗粒的光操纵以及光纤集成器件应用等领域。与在先技术相比，本发明不但实现了粒子的稳定三维俘获，实现了粒子的定位和定轴功能，而且通过控制中央螺旋纤芯出射的相位涡旋光束的能量大小来实现粒子的定轴旋转和旋转弹射。此外，在光纤制备过程中，环形芯同轴双波导光纤中央纤芯的多边形结构可以通过光纤预制棒微孔的数量、大小和位置以及微孔的塌陷闭合来加以控制，从而制备出具有多种具有不同中央螺旋纤芯结构的环形芯同轴双波导光纤及相应的粒子光操纵器件。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现粒子定轴旋转和旋转弹射的基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件及其制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

该器件主要由一段环形芯同轴双波导光纤1组成，光纤的纤端经过研磨形成纤端圆锥台2；其中，该环形芯同轴双波导光纤1包含包层3、非圆形中央螺旋纤芯4以及环形纤芯5，中央螺旋纤芯4和环形纤芯5位于包层3的中央；一方面，当向环形芯同轴双波导光纤1输入环形光6后，在环形纤芯5中会激发产生环形芯导模7，环形芯导模7在经过纤端圆锥台2(包层与外界媒质的分界面处)时发生全内反射，反射光波8在纤端包层内衍射传输到达纤端端面，然后在纤端发生折射形成强聚焦环形光场9，从而在纤端外的聚焦点附近实现对粒子10的稳定三维俘获，实现对粒子的定位和定轴功能；另一方面，当向中央螺旋纤芯4输入高斯光场11后，由于非圆形中央螺旋纤芯4空间轮廓的周期性螺旋，使得中央螺旋纤芯4传输的低阶线偏振模式可转化为高阶的相位涡旋模式12，在光纤端出射相位涡旋光束13并作用于被强聚焦环形光场9捕获的粒子10；由于相位涡旋光束13具有螺旋相位面，其光辐射压力的角向分力可以提供粒子10旋转的扭转力矩，而光辐射压力的轴向分力提供粒子10向前运动的推力，当相位涡旋光束13能量较小时，该推力无法抵消掉粒子10受到的光俘获力，这样，粒子10仍然被稳定地捕获在强聚焦环形光场9的焦点附近，在聚焦环形光场9提供的俘获力和相位涡旋光束13提供的扭转力和推进力的共同作用下实现粒子定轴旋转14，实现光马达功能；反之，如果相位涡旋光束13能量只够大，粒子10会脱离俘获力的作用而在相位涡旋光束13提供的扭转力和推进力的共同作用下迅速远离纤端，实现粒子10的旋转弹射15。

下面将详细阐述基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件的非圆形中央螺旋纤芯实现涡旋光束生成的原理。如果把非圆形中央螺旋纤芯轮廓看出一个整体并对其傅里叶级数展开可以发现，这种结构可以看作由两部分构成：一部分是普通的圆形纤芯；另一部分是周期性螺旋微扰项。这样就可以通过基于普通圆形纤芯光纤的模式微扰理论来解释光波在非圆形中央螺旋纤芯中的传输。根据涡旋光纤的角动量选择定则公式

-M_j+M_k-m＝0， (1)

这里M_j和M_k分别为圆形纤芯光纤模式j和模式k的方位角数，实际上M_j-1等于对应涡旋模式的拓扑荷数。m表示折射率手性结构螺旋的个数。以右旋三角形螺旋纤芯(m＝-3)为例，输入的高斯光场可以分解为微扰前圆形纤芯的右旋圆偏振基模和左旋圆偏振基模经过螺旋微扰后，由公式(1)可以判断出，两个圆形纤芯基模可以分别同时与纤芯右旋涡旋模式和纤芯右旋涡旋模式发生耦合。由于和以及和都是兼并模式，因此把输入的两个纤芯圆偏振基模和生成的两个纤芯右旋涡旋模式分别统称为纤芯线偏振基模LP₀₁和右旋涡旋模式因此，在三角芯螺旋纤芯中，LP₀₁模式和右旋涡旋模式模式发生耦合传输，当光纤长度为耦合半周期的奇数倍时，LP₀₁模式全部转化为模式，这样就生成了拓扑荷数为3的右旋涡旋模式，如图2和图3所示。同样，在左旋三角芯螺旋纤芯中，LP₀₁模式和左旋涡旋模式发生耦合传输，当光纤长度为耦合半周期的奇数倍时，LP₀₁模式全部转化为模式，生成拓扑荷数为3的左旋涡旋模式。

以此类推，在其他具有左旋(或右旋)多边形中央螺旋纤芯的环形芯同轴双波导光纤(m≥1)中，线偏振基模LP₀₁和左旋涡旋模式(或右旋涡旋模式)发生耦合传输，当光纤长度为耦合半周期的奇数倍时，LP₀₁模式全部转化为模式(或模式)，最终生成了拓扑荷数为m的左旋(或右旋)涡旋模式。

(四)附图说明

图1是基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件的工作原理示意图。

图2是在环形芯同轴双波导光纤右旋三角形螺旋纤芯中LP₀₁模式和右旋涡旋模式模式的耦合功率曲线。

图3是环形芯同轴双波导光纤中央纤芯传输的相位涡旋模式强度(左图)和相位(右图)分布示意图。

图4是环形芯同轴双波导光纤预制棒的制备示意图。

图5是环形芯同轴双波导光纤拉制示意图。

图6是环形芯同轴双波导光纤纤端研磨示意图。

图7基于单孔、双孔、四孔、五孔预制棒制备的具有不同螺旋中央纤芯结构的环形芯同轴双波导光纤：(a)单螺旋；(b)双螺旋；(c)四螺旋；(d)五螺旋。

图8是基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件的装置示意图。

(五)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3，本发明实施方式具有一段环形芯同轴双波导光纤1，光纤的纤端经过研磨形成纤端圆锥台2；其中，该环形芯同轴双波导光纤1包含包层3、非圆形中央螺旋纤芯4以及环形纤芯5，中央螺旋纤芯4和环形纤芯5位于包层3的中央。该器件的功能实现方式是这样的(以具有右旋三角形中央螺旋纤芯的环形芯同轴双波导为例，如图1所示)：一方面，当向环形芯同轴双波导光纤1输入环形光6后，在环形纤芯5中会激发产生环形芯导模7，在纤端圆锥台2的包层与外界媒质的分界面处，环形芯导模7发生全内反射，反射光波8在纤端包层内衍射传输到达纤端端面，然后在纤端发生折射形成强聚焦环形光场9，从而在纤端外的聚焦点附近实现对粒子10的稳定三维俘获，实现粒子的定位和定轴功能；另一方面，当向中央螺旋纤芯4输入高斯光场11后，激发产生光纤基模LP₀₁，由于右旋三角形中央螺旋纤芯4空间轮廓的周期性螺旋，LP₀₁模式和右旋涡旋模式模式发生耦合传输，当光纤长度为耦合半周期的奇数倍时，LP₀₁模式全部转化为模式(见图2)，这样就生成了拓扑荷数为3的右旋相位涡旋模式12，如图3所示。这样，纤端出射的相位涡旋光束13作用于被强聚焦环形光场9捕获的粒子10，由于相位涡旋光束13具有螺旋相位面，其光辐射压力的角向分力可以提供粒子10旋转的扭转力矩，而光辐射压力的轴向分力提供粒子10向前运动的推力，当相位涡旋光束13能量较小时，该推力无法抵消掉粒子10受到的光俘获力，这样，粒子10仍然被稳定地捕获在强聚焦环形光场9的焦点附近，在聚焦环形光场9提供的俘获力和相位涡旋光束13提供的扭转力和推进力的共同作用下实现粒子定轴旋转14，实现光马达功能；反之，如果相位涡旋光束13能量只够大，粒子10会脱离俘获力的作用而在相位涡旋光束13提供的扭转力和推进力的共同作用下迅速远离纤端，实现粒子10的旋转弹射15。

基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件制备过程可分为以下三个步骤(见图4-图6)：

步骤1、环形芯同轴双波导光纤预制棒制备(见图4和图5)。先采用MCVD制棒方法制备内壁含有中央孔16和内壁环形芯层17的中空环形芯光纤预制棒构件；然后在含有圆形中央芯层18的光纤预制棒插件靠近芯层处加工偏心微孔19，最后把整个插件嵌入中空环形芯光纤预制棒构件中组合成新的光纤预制棒20。

步骤2、拉制光纤(见图5)。将制备好的光纤预制棒20放置在光纤拉丝塔上，并固定在旋转电机21上，光纤预制棒20经过加热炉22加热熔融并在垂直牵引力23和旋转电机21提供的扭转力的共同作用下旋转拉丝。在光纤拉丝过程中，空气孔逐渐塌陷，在芯层周围的不均匀应力作用下圆形中央芯层18变成多边形，最终拉制成含有多边形中央螺旋纤芯的环形芯同轴双波导光纤1，如图5所示。

步骤3、纤端研磨(见图6)。用光纤夹具24固定好环形芯同轴双波导光纤1，然后把纤端放置于研磨盘25上，光纤夹具24与光纤研磨盘25各连接有一个直流电机驱动使其绕各自的中轴自转；保持环形芯同轴双波导光纤1与研磨盘25盘面法线呈固定夹角θ，通过光纤夹具24和研磨盘25的自转即可研磨出张开角为θ的纤端圆锥台2。

此外，可以通过控制光纤预制棒微孔的数量、大小和位置以及微孔的塌陷过程来制备出具有多种不同中央纤芯结构的环形芯同轴双波导光纤及相应的粒子光操纵器件，例如，基于单孔、双孔、四孔、五孔光纤预制棒制备的具有中央单螺旋、双螺旋、四螺旋和五螺旋纤芯结构的环形芯同轴双波导光纤，如图7(a)-(d)所示。当然，还可以通过扩展更多的微孔数量来制备具有中央多螺旋纤芯结构的环形芯同轴双波导光纤及其粒子光操纵器件。

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

步骤1、光纤制备：按照实施方式的光纤制备方法制作具有中央螺旋纤芯的环形芯同轴双波导光纤1(见图4、图5和图7)；

步骤2、光纤纤端研磨：按照实施方式的光纤纤端研磨方法制作圆锥台纤端结构(见图6)；

步骤3、粒子光俘获(见图8)：在环形芯同轴双波导光纤1中环形纤芯4的光源输入由侧抛光纤耦合器26来实现。该耦合器由包层经过抛磨的单模光纤27和环形芯同轴双波导光纤1组成，由于两个侧抛面28紧密靠在一起，使单模光纤纤芯29与环形芯同轴双波导光纤1的环形纤芯4距离足够近，当向单模光纤27输入激光30时，单模光纤27传输的光波就可以直接耦合到环形芯同轴双波导光纤1的环形纤芯4中，并形成环形纤芯导模7。最后，环形纤芯导模7经过纤端圆锥台2的强聚焦环形光场9，从而在纤端外的聚焦点附近实现对微通道31内的悬浮于溶液中的粒子10的稳定三维俘获，实现粒子10的定位和定轴功能；

步骤4、粒子的旋转或弹射(见图8)：中央螺旋纤芯的光输入通过环形芯同轴双波导光纤1直接焊接单模光纤27实现。输入激光30后，在单模光纤27中会激发产生光纤基模LP₀₁，输入到环形芯同轴双波导光纤1的中央螺旋纤芯后，激发产生相位涡旋模式12，从而实现在纤端出射相位涡旋光束13，当该光束能量较小时，在相位涡旋光束13提供的扭转力和推进力的共同作用下实现粒子定轴旋转14，实现光马达功能；反之，如果相位涡旋光束13能量只够大，粒子10会脱离俘获力的作用而在相位涡旋光束13提供的扭转力和推进力的共同作用下迅速远离纤端，实现粒子10的旋转弹射15。

Claims (10)

1.基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件。其特征是：所述器件主要由一段环形芯同轴双波导光纤1组成，光纤的纤端经过研磨形成纤端圆锥台2；其中，该环形芯同轴双波导光纤1包含包层3、非圆形中央螺旋纤芯4以及环形纤芯5，包层3、中央螺旋纤芯4和环形纤芯5三者的中心同轴；一方面，当向环形芯同轴双波导光纤1输入环形光6后，在环形纤芯5中会激发产生环形芯导模7，环形芯导模7在经过纤端圆锥台2(包层与外界媒质的分界面处)时发生全内反射，反射光波8在纤端包层内衍射传输到达纤端端面，然后在纤端发生折射形成强聚焦环形光场9，从而在纤端外的聚焦点附近实现对粒子10的稳定三维俘获，实现对粒子10的定位和定轴功能；另一方面，当向中央螺旋纤芯4输入高斯光场11后，由于非圆形中央螺旋纤芯4空间轮廓的周期性螺旋，使得中央螺旋纤芯4传输的低阶线偏振模式可转化为高阶的相位涡旋模式12，在光纤端出射相位涡旋光束13，然后作用于被强聚焦环形光场9捕获的粒子10；由于相位涡旋光束13具有螺旋相位面，其光辐射压力的角向分力可以提供粒子10旋转的扭转力矩，而光辐射压力的轴向分力提供粒子10向前运动的推力，当相位涡旋光束13能量较小时，该推力无法抵消掉粒子10受到的光俘获力，这样，粒子10仍然被稳定地捕获在强聚焦环形光场9的焦点附近，在聚焦环形光场9提供的俘获力和相位涡旋光束13提供的扭转力和推进力的共同作用下实现粒子定轴旋转14，实现光马达功能；反之，如果相位涡旋光束13能量只够大，粒子10会脱离俘获力的作用而在相位涡旋光束13提供的扭转力和推进力的共同作用下迅速远离纤端，实现粒子的旋转弹射15。

2.根据权利要求1所述的基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件，其环形芯同轴双波导光纤及其圆锥台纤端的制备方法如下：(1)先采用MCVD制棒方法制备内壁含有环形芯层的中空环形芯光纤预制棒构件；(2)根据需要在含有中央芯层的光纤预制棒插件靠近芯层处加工若干偏心微孔，把整个插件嵌入中空环形芯光纤预制棒构件中组合成新的光纤预制棒；(3)将制备好的光纤预制棒放置于拉丝塔上进行热融旋转拉丝，在拉丝过程中，偏心微孔会逐渐塌陷，同时圆形纤芯也会在非均匀应力作用下变成非圆形纤芯，并最终拉制成含有非圆形中央螺旋纤芯结构的环形芯同轴双波导光纤；(4)用光纤夹具固定住制备好的环形芯同轴双波导光纤，然后把纤端放置于研磨盘上，光纤夹具与光纤研磨盘都能绕各自的中轴自转，通过控制环形芯同轴双波导光纤与研磨盘盘面法线的夹角来制备具有不同张开角的圆锥台纤端。

3.根据权利要求1所述的基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件，其环形芯同轴双波导光纤纤端圆台的底角θ满足以下关系：θ≥arcsin(n_m/n₁)，其中n_m为光纤纤端周围环境的折射率，n₁为环形纤芯的折射率。

4.根据权利要求1所述的基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件，其特征是：所述的环形芯同轴双波导光纤中央螺旋纤芯的螺距H满足如下关系：H≥2π(β₁-β₂)^-1，其中β₁表示纤芯基膜的传输常数，β₂表示转化的高阶相位涡旋模式的传输常数。

5.根据权利要求1所述的基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件，其特征是：所述的环形芯同轴双波导光纤中央纤芯的形状为：椭圆形、三角形、矩形、五边形、其他多边形或非圆形结构的一种。

6.根据权利要求1所述的基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件，其特征是：所述的环形芯同轴双波导光纤中央纤芯的形状螺旋维度为：单螺旋或多螺旋。

7.根据权利要求1所述的基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件，其特征是：所述的环形芯同轴双波导光纤纤端圆锥台也可以是旋转对称弧形圆台。

8.根据权利要求1所述的基于环形芯同轴双波导光纤的粒子光操纵器件，其特征是：所述的旋转或弹射的粒子可以为：介质微粒、生物细胞或组织颗粒、药物颗粒、金属颗粒以及其他微小粒子。

9.根据权利要求2所述的环形芯同轴双波导光纤，其光纤预制棒的拉丝过程也可以如下进行：首先把制备好的完整的光纤预制棒放置于光纤拉丝塔上进行熔融旋转拉丝，从而拉制形成普通(不含螺旋结构)环形芯同轴双波导光纤，然后再对该光纤实施热融扭转，最终拉制成含有非圆形中央螺旋纤芯结构的环形芯同轴双波导光纤。

10.根据权利要求5所述的环形芯同轴双波导光纤中央纤芯，其形状特征是：纤芯横截面每条边的轮廓为直边或弧形边。