CN109830325B - 可编程多芯光纤微光手 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种可编程多芯光纤微光手系统。其特征是：它由激光光源1，单模光纤5，1×N光纤耦合器2，功率计3，可编程光路控制模块4，多芯光纤分路器6和多芯光纤微光手7组成。其中可编程光路控制模块4能控制每个分支光路中的光信号；多芯光纤微光手7是多芯光纤通过端面圆台微加工技术得到的多功能微粒操作结构。本发明可以通过编程来控制多芯光纤内的每个通道的光信号，从而对多芯光纤微光手7的光场进行调控，实现对捕获粒子的多功能操作。本发明可用于微小粒子的捕获，旋转，弹射，振荡等操作，尤其适用于微生命及单细胞的各种操作。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种可编程多芯光纤微光手系统，尤其涉及一种多功能操控微小粒子的可编程方法。
背景技术
光镊技术是指利用单光束或者多光束组合光场对粒子形成捕获势阱，从而对粒子进行捕获和操作的技术。自从1986年Askin在“Observation of a single-beam gradientforce optical trap for dielectric particles”一文中提出一种基于单束激光的三维光学势阱，用于实现对粒子的三维空间控制以来，“光镊”这一技术逐渐为人们熟知并得到了长足的发展。光镊的发明使得人们获得了对微小粒子操纵的工具，这促进了许多交叉学科的快速发展，尤其是在生命科学领域，光镊以其非接触式、无损探测的特性，显示出其无与伦比的优势。
光镊的形式多种多样，包含传统的显微镜式光镊，光纤光镊，全息光镊，多光束光镊，单光束光镊等等。其中全息光镊以其可编程特性而显得尤为重要。全息光镊是通过空间光调制器对输出光场进行精细调控，可形成多个稳定的甚至动态的捕获势阱，进而对多个粒子进行同时的捕获以及动态操作。光纤光镊是光镊家族中另一个重要的成员，由于其为一维柔软的纤维，因此具备很小的体积和灵巧的可弯曲特性，这为粒子的捕获与转移又提供了明显的便利。
光镊不仅仅能够实现对粒子的稳定捕获，其更吸引人们的特点更在于其能对微小粒子进行各种动态操作。全息光镊系统能随心所欲地产生想要的光场，轻松实现对多个粒子的排布以及控制运动的操作，但是其具有较大的空间体积，其空间维度的操作灵活性也明显不及可弯曲的光纤光镊。至于光纤光镊，其对粒子的操作功能相对单一。公开号为CN101907743A的发明专利提出一种吞吐式光纤光镊，能够实现对粒子的弹射吞吐动态操作；公开号为CN102222533A的发明专利提出一种基于多芯光纤的动力钻，其能对粒子进行旋转操作。Yuan等人提出一种基于四芯光纤光镊的粒子振荡设备(IEEE PhotonicsTechnology Letters,2016,28(4):461-464.)，其能够实现粒子的低频振荡操作。这些现有的光纤光镊所具备的粒子操纵技术都是相对来说比较单一的。
本发明在以上背景之下，提出一种基于多芯光纤的可编程式微光手。一方面其能够通过编程式控制多芯光纤内不同纤芯中的光束传输状态，从而控制出射的捕获及操作光场的分布，因此其具备全息光镊的可编程光场调控特性；另一方面，其采用多芯光纤，具备多光路高度集成化的特点，具有很小的体积和灵活的可弯曲特性。本发明通过对出射光场的可编程式控制，能够实现对微小粒子的捕获，旋转，弹射，振荡等动态操作，具备现有光纤光镊技术所不具备的多功能操作特性，其为类似于单细胞的生命科学问题的探索与研究提供了重要的多功能工具，因此具有十分重要的意义与价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可编程的多芯光纤微光手系统。
本发明的目的是这样实现的：
一种可编程多芯光纤微光手系统。其特征是：它由激光光源1，单模光纤5，1×N光纤耦合器2，功率计3，可编程光路控制模块4，多芯光纤分路器6和多芯光纤微光手7组成。所述系统中激光光源1输出的激光经过单模光纤5和1×N光纤耦合器2，分成N个独立的光路。其中的一支光路连接功率计3，用于光功率监控；另外的N-1支光路接入可编程光路控制模块4，用于每支单独光路的控制；经由可编程控制的每支光路通过多芯光纤分路器6，输入多芯光纤微光手7。通过对每支光路的控制来调节多芯光纤微光手的光场，从而实现对粒子的捕获、弹射、旋转和振荡等多功能操作。
一种可编程多芯光纤微光手系统，其特征是：所述的多芯光纤微光手7采用的多芯光纤是具有N个通道的多芯光纤，其结构为一个中间芯和N-1个同轴环绕的纤芯。举例来说，其可以是四芯光纤7-1和七芯光纤7-2。
一种可编程多芯光纤微光手系统，其特征是：所述的多芯光纤的端面具有旋转对称的反射聚焦圆台结构。该圆台结构分为旋转对称圆台7-2-1a和优化的旋转对称弧形圆台7-2-1b，这种结构能使得环形分布的纤芯内传输的光内反射，从端面出射后汇聚于一点，从而实现较深的三维捕获势阱。相对于旋转对称圆台来说，优化的旋转对称弧形圆台结构能使得光束聚焦焦斑更小，使得光梯度力更大，捕获势阱更深。
一种可编程多芯光纤微光手系统，所述的可编程光路控制模块4包含计算机4-1，多通道信号发生器4-2(通道数大于等于N)，数据传输线4-3以及N个光开关4-4。计算机4-1通过编程发送指令至信号发生器4-2，信号发生器4-2发生函数信号控制光开关4-4，从而控制每个分支光路的通断。
一种可编程多芯光纤微光手系统，所述的可编程光路控制模块4中的光开关4-4也可以是光强度调制器或光衰减器。相对于光开关来说，光强度调制器和光衰减器的优势在于，其不仅能调节每个分支光路的通断，还能控制每个光路内所通过的功率大小，更适用于对粒子的各种精确微操作。
相比于现有技术，本发明的突出优点在于：
(1)高度化集成和极好的操作灵活性：本发明采用多芯光纤作为微光手的材料，其能将多个光路集成到几百微米的一维可弯曲的纤维之内，这大大减小了光操纵核心器件的体积，并且具备有传统显微镜光镊所不具备的灵活性，尤其适用于定点单个粒子的三维捕获与操纵。
(2)可编程特性和多功能操作：本发明具备可编程光场控制特性，该特性能精细调控多光束聚焦光场，从而调控对粒子捕获力和操纵力的大小与方向，实现对粒子的捕获、转移、旋转、弹射及振荡等一系列的操作，具备多功能集成化的杰出优点。
附图说明
图1是可编程多芯光纤微光手系统的装置示意图。
图2是四芯光纤7-1和七芯光纤7-2的截面示意图。
图3是七芯光纤微光手的端面锥台结构，其中(a)为旋转对称圆台反射结构，(b)为旋转对称弧形圆台反射结构。
图4是可编程多芯光纤微光手用于粒子捕获及弹射原理示意图。其中(a)是稳定捕获粒子示意，(b)表示稳定捕获时光纤各个纤芯的通光情况，(c)表示粒子弹射原理示意图，(d)表示粒子弹射时光纤各个纤芯的通光情况，(e)表示各个纤芯通光随时间的变化情况。
图5是可编程多芯光纤微光手用于粒子捕获及旋转原理示意图。其中(a)是稳定捕获示意图，(b)表示稳定捕获时光纤各个纤芯的通光情况，(c)表示粒子旋转操作示意图，(d)表示粒子旋转操作时光纤各个纤芯的通光情况，(e)表示各个纤芯通光随时间的变化情况。
图6是可编程多芯光纤微光手用于粒子捕获及径向振荡操作原理示意图。其中(a)是稳定捕获示意图，(b)表示稳定捕获时光纤各个纤芯的通光情况，(c)表示粒子径向振荡操作示意图，(d)表示粒子径向振荡操作时光纤各个纤芯的通光情况，(e)表示各个纤芯通光随时间的变化情况。
图7是可编程多芯光纤微光手用于粒子捕获及轴向振荡原理示意图。其中(a)是稳定捕获示意图，(b)表示稳定捕获时光纤各个纤芯的通光情况，(c)表示粒子轴向振荡操作示意图，(d)表示粒子轴向振荡操作时光纤各个纤芯的通光情况，(e)表示各个纤芯通光随时间的变化情况。
具体实施方式
下面以可编程七芯光纤微光手系统为例，对本发明进行具体的说明。
图1是可编程多芯光纤微光手系统的装置示意图，其中激光光源1的波长可以根据操作粒子的特性进行选取，例如对于生物单细胞而言，采取近红外的捕获光源(如980nm)显然更为合适。激光光源1输出的激光经由1×8的耦合器2，分为8路等能量的分支光路，其中一路接有功率计3，用于监控支路的功率大小，另外的7路分支则接入可编程光路控制模块4。该模块由计算机4-1、多通道信号发生器4-2、信号传输线4-3和7个光强度调制器4-4(其中光强度调制器也可以用光开关和光衰减器来代替)。接入可编程光路控制模块4的7个分支光路分别和光强度调制器4-4相连接，由计算机4-1和多通道信号发生器4-2来控制每个分支内所通过光的有无及功率大小。7个分支光路经过可编程光路控制模块4后，由七芯光纤分路器6接入七芯光纤微光手7，在七芯光纤的7个纤芯通道中独立传输。环形分布的6个纤芯a-g内的光束7-2-2在光纤端的旋转对称圆台结构7-2-1的反射下，汇聚于一点，其聚焦光场的能量分布可以通过控制每个纤芯内的功率来精确微调。下面分别从5个具体实施例来阐述本发明的可编程和多功能特性。
实施例1：粒子的稳定捕获。
如图4，图5和图6的(a)、(b)所示，经过可编程模块，控制七芯光纤微光手7环形分布的纤芯a-f内的通光情况，便可实现粒子8的稳定捕获。无论是图4(a)、(b)中的六个纤芯a-f全部通光，还是图5(a)、(b)中的三个纤芯a、c、e通光，或是图6(a)、(b)中的四个纤芯a、b、d、e通光，只要出射的汇聚光场具有对称性，便可以实现粒子8的稳定捕获。
实施例2：粒子定向弹射。
如图4所示，其中(a)(b)表示粒子8的稳定捕获，(c)(d)表示粒子定向弹射原理，(e)表示各个纤芯通光随时间的变化情况。
首先，可编程控制模块4控制纤芯通道a-f通入等功率的光束7-2-2，光束经过端面的旋转对称锥台结构7-2-1反射聚焦，形成稳定捕获的势阱，对粒子8进行稳定捕获。此时中间纤芯通道g不通光。接着，调整光纤微光手7-2的位置和方向，瞄准粒子欲弹射的方向。最后，通过可编程控制模块4，使得中间芯通道g通过较大功率的光束7-2-3，如图(c)(d)所示，该光束7-2-3作用于微粒8上，其辐射压力大于捕获光束7-2-2的轴向捕获力，从而使粒子8摆脱势阱束缚，推动粒子8定向弹射。
实施例3：粒子的旋转。
如图5所示，其中(a)(b)表示粒子的稳定捕获，(c)(d)表示粒子的旋转操作原理，(e)表示各个纤芯通光随时间的变化情况。
首先，控制模块4控制纤芯通道a、c、e通入等功率的光束7-2-2，其他纤芯通道不通光。光束经过端面的旋转对称锥台结构7-2-1反射聚焦，形成稳定捕获的势阱，对粒子8进行稳定捕获。然后控制模块4控制纤芯通道a、c、e通过连续稳定光束7-2-2，纤芯通道b，d，f依次通过序列脉冲光7-2-3，如图(e)所示。每束脉冲光均能给稳定捕获的粒子8一个横向的动量，如此b、d、f三个纤芯通道的序列脉冲7-2-3便能给予粒子8一个旋转的动量，导致粒子8旋转，从而调整其姿态，其中脉冲序列的周期T和脉冲能量决定了粒子8的旋转速度。
实施例4：粒子的径向振荡。
如图6所示，其中(a)(b)表示粒子的稳定捕获，(c)(d)表示粒子的径向振荡操作原理，(e)表示各个纤芯通光随时间的变化情况。
首先，控制模块4控制纤芯通道a、b、d、e通入等功率的光束7-2-2，其他纤芯通道c、f、g不通光。光束经过端面的旋转对称锥台结构7-2-1反射聚焦，形成稳定捕获的势阱，对粒子8进行稳定捕获。然后，给予纤芯c和f通道脉冲序列7-2-3，如图(e)所示，在这样交替的脉冲信号7-2-3下，粒子8会受到一个周期性径向推拉的力，使得粒子8做径向的受迫振动，其中振动频率取决于脉冲的周期T和脉冲能量。
实施例5：粒子的轴向振荡。
如图7所示，其中(a)(b)表示粒子的稳定捕获，(c)(d)表示粒子的轴向振荡操作原理，(e)表示各个纤芯通光随时间的变化情况。
首先，控制模块4控制纤芯通道a-f通入等功率的光束7-2-2，中间纤芯通道g不通光。光束经过端面的旋转对称锥台结构7-2-1反射聚焦，形成稳定捕获的势阱，对粒子8进行稳定捕获。然后，给予中间纤芯g通道脉冲序列7-2-3，并且环形纤芯通道a-f在捕获光强度Itrap的基础上进行周期性光强度调制，如图(e)所示，在这样交替的脉冲信号7-2-3下，粒子8会受到一个周期性轴向推拉的力，使得粒子8做轴向的受迫振动，其中振动频率取决于脉冲的周期T和脉冲能量。
Claims (5)
1.一种可编程多芯光纤微光手系统，其特征是：它由激光光源，单模光纤，1×N光纤耦合器，功率计，可编程光路控制模块，多芯光纤分路器和多芯光纤微光手组成；所述系统中激光光源输出的激光经过单模光纤和1×N光纤耦合器，分成N个独立的光路；其中的一支光路连接功率计，用于光功率监控；另外的N-1支光路接入可编程光路控制模块，用于每支单独光路的控制；经由可编程控制的每支光路通过多芯光纤分路器，输入多芯光纤微光手；通过对每支光路的控制来调节多芯光纤微光手的光场，从而实现对粒子的捕获、弹射、旋转和振荡多功能操作。
2.根据权利要求1所述的可编程多芯光纤微光手系统，其特征是：所述的多芯光纤微光手采用的多芯光纤是具有N个通道的多芯光纤，其结构为一个中间芯和N-1个同轴环绕的纤芯。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的可编程多芯光纤微光手系统，其特征是：所述的多芯光纤的端面具有旋转对称的反射聚焦圆台结构。
4.根据权利要求1所述的可编程多芯光纤微光手系统，其特征是：所述的可编程光路控制模块包含计算机，通道数大于等于N的多通道信号发生器，以及N个光开关；计算机通过编程发送指令至信号发生器，信号发生器发生函数信号控制光开关，从而控制每个分支光路的通断。
5.根据权利要求4所述的可编程多芯光纤微光手系统，其特征是：所述的可编程光路控制模块中的光开关是光强度调制器或光衰减器，不仅可以控制每个分支光路的通断，还可以控制其通过的功率大小。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20190531 Assignee: Guilin Photon Power Technology Co.,Ltd. Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY Contract record no.: X2023980045805 Denomination of invention: Programmable multi-core fiber micro optical hand Granted publication date: 20200807 License type: Common License Record date: 20231105 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |