CN110927878A - 一种非接触式单光纤光镊及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种非接触式单光纤光镊及其制备方法。它由纤芯圆周对称分布的特种光纤以及在其端面制备的的一个对称的反射锥台组成。所述的反射锥台结构是由特种光纤和无芯光纤焊接、拉锥并精密切割后形成，该锥台结构能够全反射特种光纤对称分布的纤芯内传输的光束，在端面外聚焦，形成捕获点。本发明可用于单个微小粒子的非接触式捕获、操纵与测量，可广泛用于单细胞操纵与测量领域。

Description

一种非接触式单光纤光镊及其制备方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种非接触式单光纤光镊及其制备方法，属于光操纵技术领域。

(二)背景技术

光镊技术的提出为微小粒子的操纵、测试提供了一个强大的工具，尤其是在基于单细胞分析的生命科学领域，正是由于光镊的发明才使得对单细胞的操作分析随心所欲。

光镊可以分为传统光镊和光纤光镊两类。传统光镊通常包含高数值孔径的物镜、二向色镜、光源、反射镜等空间光学元件，并且当传统空间光镊与空间光调制器或者声光调制器等功能性光学器件结合，其强度大的光场调控能力使得对微小粒子的操纵更加方便、实用。但是一方面，这些空间光学器件通常来说都是相对昂贵的，一台高效的空间光镊系统也是造价不菲。另一方面，空间光镊具有相对较大的体积，并且固定的空间光路使其不适用于活体在体的捕获与测量。而光纤光镊就具备这些空间光镊所不具备的优势。首先，光纤的直径仅有125微米，并且可任意弯曲，空间灵活性高，这为无创的活体在体单细胞捕获和探测提供了很大的灵活性；其次光纤的造价便宜，一次拉制可以制备上百公里的光纤，这使得光纤光镊的成本相对于空间光镊来说要低得多。

光纤光镊的种类很多，基于不同的光纤、不同的微结构，各式各样的光纤光镊被提出。通常来说，单光纤光镊是要在光纤的尖端制备微结构，形成聚焦的光场以提供足够的梯度力捕获微粒。多芯光纤光镊结合端面锥台结构是经典的光纤光镊形式，例如专利CN100498394C提出的双芯光纤拉锥光镊，其将双芯光纤拉锥，制备出一个能压缩两束光场的尖端，实现微粒的捕获。但是该锥形的制备改变了双芯光纤的波导结构，聚焦点位于光纤的尖端，捕获的微粒与光纤的尖端相接触。为了解决非接触式捕获的问题，专利CN201611215144.4提出采用光纤端研磨的方法制备反射锥台结构，但是研磨的工艺需要长时间的精密抛光，并且研磨的时候锥台结构的轴对称性难以控制的很好。另外专利CN100580490C还提出在光纤端制备多个角度的斜面锥台结构，从而实现多个聚焦结构，实现基于单根光纤的多捕获点光镊，同样也是需要对光纤端进行研磨加工，制备工艺耗时、耗力。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种非接触式单光纤光镊及其制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种非接触式单光纤光镊。它由纤芯圆周对称分布的特种光纤以及在其端面制备的的一个对称的反射锥台组成。所述的反射锥台是由特种光纤和无芯光纤焊接、拉锥并精密切割后形成，该锥台结构能够全反射特种光纤对称分布的纤芯内传输的光束，在端面外聚焦，形成捕获点。

所述的纤芯圆周对称分布的特种光纤可以是纤芯圆周对称分布的多芯光纤，也可以是具有一个环形芯的环形芯光纤。

所述的反射锥台是由纤芯圆周对称分布的特种光纤和无芯光纤熔接后，在无芯光纤上，偏离焊点一段距离拉锥，并在锥体的渐变区域切割，形成的光滑、对称弧形反射锥台。反射锥台的形状与拉锥的参数有关，当锥长且平缓时，反射聚焦能量分布较松散，捕获力较弱，当锥短且陡时，反射聚焦点能量集中，捕获力较大。

通过调整拉锥的位置与焊点之间的距离大小，可以调整特种光纤纤芯中出射光束在无芯光纤中传输的发散程度，距离越大，光束出射的发散程度越大，光束经由锥台反射聚焦后在光纤轴向上能量分布长，有利于杆状的粒子的稳定捕获。

所述的特种光纤可以具备中间纤芯，反射锥台结构可以是由单模光纤与纤芯圆周对称分布的特种光纤熔接、拉锥并精密切割后，形成的具有中间芯波导结构的弧形反射锥台。中间芯光束能够通过纤端锥形单模光纤纤芯压缩输出，对捕获粒子进行光动力调整。

所述的特种光纤的连接可以通过单芯光纤与特种光纤焊接后熔融拉锥耦合连接，也可以通过多芯光纤分路器和多芯光纤连接，实现每路纤芯能量的独立控制。

所述的光纤端锥台结构在不满足全反射条件时可以镀制金属反射膜使其反射并在端面外聚焦。

一种非接触式单光纤光镊的制备方法：

步骤1：将纤芯圆周对称分布的特种光纤和无芯光纤或单模光纤熔接；

步骤2：在无芯光纤或单模光纤上，偏离焊点一段距离拉制陡锥；

步骤3：在靠近纤芯圆周对称分布的特种光纤的锥体渐变区上切割，形成对称的弧形反射锥台。

相对在先技术，本发明具有以下的显著的优点：

(1)本发明式非接触的光镊结构，能对单细胞进行非接触式捕获，这对单细胞的无干扰测试测量很重要。

(2)制备工艺相对简单，制备的光纤端反射聚焦结构光滑，不需要经过长时间的研磨和抛光。

(3)本发明提出的拉锥、切割法制备的光纤端反射锥台结构天然是对称弧形的反射锥台，可以通过拉锥参数的调整对弧形锥台结构进行优化，使得光束聚焦效果更明显，提供更有效的捕获力。

(四)附图说明

图1是不含中间芯的多芯光纤端面示意图，其中(a)、(b)、(c)分别是双芯、三芯和四芯光纤，(d)是环形芯光纤。

图2是含中间芯的多芯光纤端面示意图，其中(a)线形分布的三芯光纤、(b)三角分布的四芯光纤、(c)方形分布的五芯光纤以及(d)同轴双芯光纤。

图3是非接触式单光纤光镊的制备方法步骤。

图4是基于双芯光纤的单光纤光镊系统示意图。

图5是双芯光纤光镊的锥台结构对光束反射汇聚的仿真结果图。

图6是基于环形芯光纤的单光纤光镊结构示意图。

图7是环形芯光纤光镊的锥台结构对光束反射汇聚的仿真结果图。

图8是含有中间纤芯的三芯光纤光镊系统示意图。

图9是三芯光纤光镊对捕获粒子旋转操作示意图。

图10是三芯光纤光镊对捕获粒子定向弹射操作示意图。

图11是具有长焦点结构的双芯光纤光镊用于杆状粒子捕获的示意图。

(五)具体实施方式

本发明可以采用的光纤种类可以是多芯光纤，这些多芯光纤可以分为两类：1、圆周对称分布的多芯光纤和环形芯光纤，如图1所示，包括但不限于(a)双芯光纤、(b)三角分布的三芯光纤、(c)方形分布的四芯光纤、(d)环形芯光纤；2、有中间芯的圆周对称分布的多芯光纤，如图2所示，包括单不限于(a)线形分布的三芯光纤、(b)三角分布的四芯光纤、(c)方形分布的五芯光纤以及(d)同轴双芯光纤。下面将结合具体的实施例对本发明进行详细的说明。

实施例1：非接触式光纤光镊的制备方法。

首先，以环形芯光纤为例，说明本发明的一般制备方法。如图3所示，分为4个步骤：

步骤1：环形芯光纤1和等直径的无芯光纤2在剥除涂覆层后，清洁、切割、熔接；

步骤2：使用电极3放电的方法，对熔接好的光纤进行拉锥，拉锥位置在距离环形芯光纤1L处，拉锥后环形芯光纤1的波导结构保持不变；

步骤3：在拉锥后形成的渐变区使用金刚石切割刀4进行切割，得到对称光滑的反射锥台结构5；

步骤4：使用离子溅射镀膜机，在锥台结构的表面镀制一层反射金属膜6。

在以上步骤中，是否需要步骤4取决于所拉制的光纤锥在渐变区的形状，如果渐变区变化缓慢，环形芯中出射的光束在锥台5处能够满足全反射条件，反射出并在锥台端面外聚焦，则不需要镀制反射金属膜6；如果渐变区变化剧烈，环形芯中出射的光束在锥台5处不满足全反射条件，则需要进行步骤4，镀制一层反射金属膜6，使环形光束反射并在光纤锥台端面外聚焦。

实施例2：双芯光纤光镊。

以双芯光纤和环形芯光纤为例，说明不含中间芯的多芯光纤光镊效果。图4展示的是基于双芯光纤的非接触式光纤光镊的系统结构示意图，其中光源7采用980nm的LD，捕获光束11通过单模光纤8引出，经过拉锥耦合区耦合进双芯光纤9的两个纤芯中传输。双芯光纤9的尖端按照实施例1中描述的方法，拉锥制备弧形反射锥台结构5，对两个纤芯中出射的捕获光束11进行反射并汇聚于锥台端面外，形成一个稳定的聚焦捕获点，实现对微粒10的稳定捕获。

采用BPM(beam propagation method)方法对双芯光纤9的锥台结构5进行了光场仿真，结果如图5所示。由仿真结果可以看出，从双芯光纤9出射的两束捕获光束11在无芯光纤中传输，至反射锥台5表面的时候会发生全内反射，并在光纤端面外聚焦。对两束光的交点处放大，可以看出交点处的能量梯度变化并不明显，所以对于微粒来说梯度捕获力不强，需要较大的功率才能将微粒稳定捕获。

实施例3：环形芯光镊。

如实施例2所述，双芯光纤的聚焦点的能量的聚焦特点不够明显，捕获点处的能量密度梯度小，捕获力弱。为了实现较大的捕获力，实现微粒的稳定捕获，可以采用环形芯光纤制备光镊。如图6所示，和实施例2的区别在于，出射在反射锥台5端面外聚焦点是由环形捕获光束11反射聚焦而成，其聚焦光场分布的如图7所示，可以看出聚焦点出的能量密度相对于实施例2中要大的多，聚焦效果明显。所以环形芯光纤制备出的光镊能够实现更稳定的捕获效果。

实施例4：线形分布的三芯光纤光镊。

以含有中间芯的三芯光纤为例，说明含有中间芯的多芯光纤光镊对微粒的姿态调整与定向弹射功能。

三芯光纤光镊于实施例2中的双芯光纤光镊的不同处有两点。第一，三芯光纤的光路连接方式不同。如图8所示，三个980nm的光源7输出的操纵光分别由单模光纤8引出，由三芯光纤连接器12输入三芯光纤13的三个纤芯，和实施例2中的拉锥耦合方式不同在于，拉锥耦合虽然能将光束耦合至多芯光纤的每个纤芯中，但是难以控制每个纤芯中的传输的能量比例，而多芯光纤连接器的优点在于三个纤芯的能量控制是相互独立的。第二，双芯光纤是焊接一段无芯光纤再拉锥切割，形成对称的反射锥台，而三芯光纤13可以选择焊接单模光纤，然后在单模光纤上拉锥切割，形成对称的反射锥台结构5，同时，由于单模光纤具有纤芯，虽然会随着拉锥变细，但仍旧可以和三芯光纤的中间芯连接，输出中间芯的光束。

如图9所示，三芯光纤13的两个边芯通入980nm的捕获光束11，中间芯不通光，通过调整纤芯1和纤芯2两个边芯中的能量比例变化，可以使捕获点出的聚焦光场分布发生变化，从而旋转捕获的微粒10，调整被捕获姿态。

如图10所示，首先向三芯光纤13的两个边芯中输入相同功率的980nm捕获光束11，稳定捕获住一个微粒10。然后向中间纤芯中通入较大功率的980nm弹射光束14，经过锥台结构5的单模光纤的纤芯输出，给被捕获的微粒10一个轴向的辐射推力，克服边芯反射聚焦光束的捕获力，并将微粒10弹射出去，实现微粒捕获、定向弹射功能。

实施例5：捕获杆状粒子型光纤光镊。

在实施例1中叙述了本发明提出的光纤光镊的制备方法，其中提到拉锥的时候在偏离焊点L处拉锥。这里L的长度决定了光束在出射多芯光纤后，到锥台反射界面处的传播距离，传播距离越长，光束的扩散会越明显。如图11所示，以双芯光纤9为例，光束在出射双芯光纤端面后进入无芯光纤2中发散传输，这会导致在反射锥台与外界环境界面处的入射角不同，会有部分光束不满足全反射条件，折射出锥台。为了让尽量多的光束能量反射聚焦于端面外，可在反射锥台的表面镀制一层反射膜6，这样反射的捕获光11束在光纤端面外会聚焦成一个在轴向上分布较长的聚焦光场，这样的光场对杆状的微粒15有更好的捕获限位效果。

Claims (5)

1.一种非接触式单光纤光镊。其特征是：它由纤芯圆周对称分布的特种光纤以及在其端面制备的的一个对称的反射锥台组成。所述的反射锥台是由特种光纤和无芯光纤焊接、拉锥并精密切割后形成，该锥台能够全反射特种光纤对称分布的纤芯内传输的光束，在端面外聚焦，形成捕获点。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式单光纤光镊，其特征是：所述的纤芯圆周对称分布的特种光纤可以是纤芯圆周对称分布的多芯光纤，也可以是具有一个环形芯的环形芯光纤。

3.根据权利要求1所述的一种非接触式单光纤光镊，其特征是：所述的反射锥台是由纤芯圆周对称分布的特种光纤和无芯光纤熔接后，在无芯光纤上，偏离焊点一段距离拉锥，并在锥体的渐变区域切割，形成的光滑、对称弧形反射锥台。

4.根据权利要求1所述的一种非接触式单光纤光镊，其特征是：所述的纤芯圆周对称分布的特种光纤可以具备中间纤芯，反射锥台结构可以是由单模光纤与纤芯圆周对称分布的特种光纤熔接、拉锥并精密切割后，形成的具有中间芯波导结构的弧形反射锥台。

5.一种非接触式单光纤光镊的制备方法：

步骤1：将纤芯圆周对称分布的特种光纤和无芯光纤或单模光纤熔接；

步骤2：在无芯光纤或单模光纤上，偏离焊点一段距离拉制陡锥；

步骤3：在靠近纤芯圆周对称分布的特种光纤的锥体渐变区上切割，形成对称的弧形反射锥台。

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