CN112002454A - 全光纤可调微粒搅拌装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是全光纤可调微粒搅拌装置。其特征是：它由波长可调激光器、单芯光纤、螺旋芯光纤、毛细管光纤以及微纳转子组成。将单芯光纤、螺旋芯光纤、毛细管光纤依次熔融焊接后连为一体，利用毛细管光纤热熔塌陷形成的锥形过渡区实现了对光束的分割，由于螺旋芯光纤对特定光波具有调制作用，当输出为高斯光束时，在管状包层中传输的光束经反射和折射后会在空气孔内或者纤端附近形成多个强汇聚点的高斯光束，实现对处于轴线上的微纳转子的光捕获功能；当输出为涡旋光束时，则对微纳转子光捕获的同时实现定轴旋转的功能，进而对处于空气孔中的溶液实现搅拌功能。本发明可用于微小粒子的光操纵以及光纤集成器件应用等领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于单光纤集成式的微纳转子操纵器件。主要用于生物分子、生物细胞、纳米团簇、胶体颗粒、介质颗粒等微小粒子的筛选、捕获、检测、振荡和旋转等等，属于光纤技术领域。
(二)背景技术
传统光镊通常是基于光学显微镜系统构建的，它通过显微物镜将激光束聚焦，利用聚焦中心附近的梯度力场形成光阱，对微小粒子进行捕获和操纵。传统光镊技术成熟，但其结构复杂且缺乏柔性，体积庞大，价格昂贵，并且光阱移动系统复杂，操作技能要求高。为此，提出了光波导光镊技术方案，借助于在同一块材料基体上的多个波导通道来实现微小粒子的捕获[中国发明专利CN1740831A]，鉴于该光波导光镊端具有体积较大，制备难度大的不足，人们进一步发展了光纤光镊技术[Optics Letters,1993,18(21):1867-9，andOptics Express,2006,14(25):12510-6]。光纤光镊结构简单，可以制成微型探针形式，光阱及其操纵与光学显微系统分离，因此光阱操纵灵活，系统自由度大。
光纤连接技术是光纤应用领域最基本的一项专门技术。光纤的连接是指把两根光纤端面结合在一起。对连接的基本要求是使光能量最大限度的从输入光纤中耦合过渡到接收光纤中。对光纤连接技术除了要求连接损耗小，回波损耗大外，还要求环境温度变化时性能保持稳定，并有足够的机械强度。因此需要精密的机械和光学设计和加工装配，以保证两个光纤端达到高精度匹配。
利用光纤对粒子实现三维捕获操作，其光纤尖端需要经过特殊的加工，具体的加工方法有熔融拉锥法[Optics Express,14(25):12510-12516,2006]和特制研磨机研磨法。不同加工方法的共同目的是能够构建合适的光纤锥形端以实现大梯度光学捕获场的构建。
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。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。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，但这些光纤仅为单螺旋、双螺旋和四螺旋结构。
公开号为CN1963583A的发明专利将一段光纤的一端熔融拉制成具有抛物线形微结构的光纤针。将激光耦合到光纤的另一端中，激光从光纤针出射后在光纤针前端形成的小于1微米腰斑直径的汇聚光场，能够形成稳定的三维光势阱，从而实现单光纤光镊；公开号为CN101118300的中国发明专利给出了一种小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊及其制作方法。它是采用小芯径超高数值孔径光纤加工而成的，其光纤端被研磨成锥体形状。由于该光纤尖端的大数值孔径而形成的发散光场可形成较大的光场梯度力势阱，因而可以克服粒子的自重，实现对微小粒子的单光纤三维俘获；为了进一步对所捕获的微小粒子的姿态进行控制，公开号为CN101149449的中国发明专利文件中又给出了一种双芯光纤光镊；公开号为CN101339274A的发明专利给出了一种环形芯层的中空毛细管光纤光镊，空气孔中连接气压调整装置，可以实现对微小粒子的储存与操纵；公开号为CN102231292B的中国发明专利文件中给出了一种双向锥形光纤微小粒子旋转器，利用锥体状光纤纤芯中的传输光投射出包层并在包层表面形成倏逝场，所产生的光辐射力作用在微小粒子上使之旋转。
为了拓展光纤器件的结构和功能，本发明对光纤结构进行了独特的设计，利用毛细管光纤热熔塌陷形成的锥形过渡区实现了对光束的分割，由于螺旋芯光纤对特定光波具有调制作用，当输出为高斯光束时，在管状包层中传输的光束经反射和折射后会在空气孔内或者纤端附近形成多个强汇聚点的高斯光束，实现对处于轴线上的微纳转子的光捕获功能；当输出为涡旋光束时，则对微纳转子光捕获的同时实现定轴旋转的功能，进而对处于空气孔中的溶液实现搅拌功能。本发明的设计不仅使光纤光镊器件更加微型化和集成化，而且对制作毛细管光纤光镊器件，进而捕获和操纵微纳转子提供了一种全新的思路。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种利用螺旋芯光纤和毛细管光纤熔融后的锥形过渡区实现对光束的分割和光束的调制，并对多个微纳转子实施稳定光捕获和光操纵的单光纤集成器件。
本发明的目的是这样实现的：
该微粒搅拌装置是由波长可调激光器、单芯光纤、螺旋芯光纤、毛细管光纤以及微纳转子组成。单芯光纤由纤芯和包层组成，将偏芯光纤同轴热熔扭转制得螺旋芯光纤，螺旋芯光纤由中央螺旋纤芯以及包层组成，毛细管光纤由空气孔和管状包层组成。将单芯光纤、螺旋芯光纤、毛细管光纤依次熔融焊接后连为一体，在螺旋芯光纤与毛细管光纤的焊点处由于空气孔热熔塌陷形成锥形过渡区。当单芯光纤的纤芯中特定波长λ1的传导光波经过螺旋芯光纤的中央螺旋纤芯后，中央螺旋纤芯不会对此波长的光波进行相位调制，从而输出的高斯光束经过锥型过渡区时被分割形成空心光束，然后在毛细管光纤的管状包层中传输的空心光束经反射和折射后会在空气孔内或者纤端附近形成在光轴上具有多个汇聚点的强汇聚高斯光束，从而同时对多个微纳转子实施光捕获功能，从而把多个微纳转子固定在光轴上，实现定轴功能，但由于强汇聚高斯光束不具有轨道角动量，因此该光束不能使微纳转子旋转；当利用波长可调激光器向螺旋芯光纤的中央螺旋纤芯中通入特定波长λ2的光波后，由于中央螺旋纤芯会对该波长产生周期性调制，使得中央螺旋纤芯传输的低阶线偏振模式可转化为高阶的相位涡旋模式，经过锥形过渡区的分割以及管状包层的反射和折射后的光波在空气孔中或者纤端附近形成在光轴具有多个强汇聚点的相位涡旋光束，同时对多个微纳转子实施光捕获，实现定轴功能，并且由于相位涡旋光束具有轨道角动量，其产生的光辐射压力的角向分力可以提供多个微纳转子旋转的扭转力矩，因此同时还实现对多个微纳转子旋转的功能；这样，通过对波长λ1和λ2的切换，就可控制微纳转子处于非旋转和旋转状态，从而实现微纳转子对周围溶液的搅拌可调功能。
毛细管光纤的纤端可以采用圆锥台纤端结构，圆锥台纤端的底角θ满足以下关系：
θ≥arcsin(nm/n1) (1)
其中nm为光纤纤端周围环境的折射率，n1为毛细管光纤管状包层的折射率。满足这种条件时，通入毛细管光纤的光束在经过此圆锥台时，符合全反射的条件，使光束没有泄露，全部反射到光纤端面上，进而两部分光束在纤端进行强汇聚，产生可捕获微纳转子的光阱。可选的，圆锥台的磨锥或者拉锥区域也可以增镀一层金属膜(反射膜)，此时锥角将不受限制，从而更有效的对光束进行收集。
下面将详细阐述螺旋芯光纤的中央少模纤芯结构实现涡旋光束生成的原理。由于螺旋纤芯的模式截止，光波不能在螺旋纤芯中形成稳定的传输模式，如果把螺旋纤芯对其傅里叶级数展开可以发现，这种结构包括周期性螺旋微扰项。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螺旋芯波导光纤中的传输。根据涡旋光纤的角动量选择定则公式以及相位匹配条件：
-Mj+Mk±m＝0，-βj+βk±mku＝0， (2)
这里Mj和Mk分别为圆形纤芯光纤模式j和模式k的方位角数，实际上Mj-1等于对应涡旋模式的拓扑荷数，m表示手性结构螺旋的个数。βj和βk表示模式j和模式k的传播常数，ku在表达式上等于2π/Λ，相位匹配条件的物理意义是任何m螺旋微扰都具有Λm＝Λu/m的周期。如图6(c)所示，以具有左旋单螺旋纤芯的涡旋光纤(m＝+1)为例，输入的线偏振LP01模式可以分解为微扰前螺旋纤芯的左旋圆偏振模
(即Mj＝+1)和右旋圆偏振模
(Mj＝-1)。经过螺旋微扰后，由公式(2)可以判断出，纤芯基模左旋圆偏模式
与左旋相位涡旋模式
(Mk＝+2)发生耦合；而右旋圆偏模式
则与两个偏振涡旋模式TE01和TM01(Mk＝0)耦合。由于
TE01和TM01是兼并模式，因此这三个模式可统一表示成左旋涡旋模式
当光纤长度为耦合半周期的奇数倍时(假设此时的光纤模式耦合周期为T0)，线偏振基膜LP01就几乎全部转化为高阶纤芯左旋涡旋模式
这样就生成了拓扑荷数为1的左旋涡旋模式。当然，在纤芯模式耦合的同时，纤芯模式也可能与包层模式，但是这些耦合都很小，不会对纤芯左旋涡旋模式
的生成产生实质性影响。
以此类推，在其他左旋(或右旋)螺旋纤芯的涡旋光纤(m＝1、2、3…)中，线偏振纤芯模LPn1和右旋涡旋纤芯模
(或左旋涡旋纤芯模
)发生耦合传输，当光纤长度为耦合半周期的奇数倍时，光能量就会几乎全部转化为
模式(或
模式)，最终在中央纤芯中生成了拓扑荷数为(n+m)的右旋(或左旋)涡旋模式。
对所述的全光纤可调微粒搅拌装置的可行性进行分析，理论分析结果如图6(a)-(c)所示。(a)图所示为单模光纤、螺旋芯光纤以及毛细管光纤连接后，并对单模光纤进行通光的二维平面光场图，从图中我们可以看到在z方向800um到1000um段中拥有多个光强极大值，代表着多个强聚焦点的位置，从而捕获多个微纳转子。当使用波长可调激光器对光场进行调制时，同一半径微粒处于800um到1000um段中不同位置的纵向光阱力曲线如图(b)所示，每条曲线相比于参考线偏离的远近代表处于此种波长下的微粒所受纵向光阱力的大小。当通光波长为980nm时，多光阱区域处于925um附近，并且此时光阱力较大，捕获范围较小；当通光波长为1130nm时，多光阱区域处于938um附近，并且此时光阱力适中，捕获范围适中；当通光波长为1280nm时，多光阱区域处于958um附近，并且此时光阱力较小，捕获范围较大。且器件对于处于同一位置处的不同半径的微粒纵向光阱力大小有所不同，微粒半径较小时，光阱力较小，捕获效率越高；微粒半径较大时，光阱力较大，捕获效率较低；微粒半径过大时，多光阱区域不足以捕获微纳粒子，粒子在光学合力的共同作用下被推出到毛细管光纤的空气孔外。对经过螺旋芯后输出模式与波长的关系进行仿真，结果如图(c)所示。当波长为λ1时，输出为基膜高斯光束，此时装置对多个微纳转子实现在轴线上的光捕获功能；当波长为λ2时，螺旋芯光纤满足角动量选择定则以及相位匹配条件，输出为一阶涡旋模式，此时装置对多个微纳转子实现光捕获功能的同时，实现对微纳转子的定轴旋转进而达到搅拌处于空气孔中溶液的功能。
本发明的全光纤可调微粒搅拌装置还可以包括：
1、所述的圆锥台纤端的锥面可直接对传导光波进行全反射，也可以增镀一层金属反射膜来增强全反射效果。
2、所述的单芯光纤为单模光纤、少模光纤或多模光纤中的一种，且纤芯形状可以为：圆形、环形、三角形、矩形或其他多边形中的一种。
3、所述的螺旋芯光纤可通过偏芯光纤旋转拉丝或者先拉丝再热融扭转的方法制备。偏芯光纤可以替换为多芯光纤以及单芯光纤，其中单芯光纤的纤芯形状可以为：三角形、椭圆形、矩形、其他多边形或者非圆形结构中的一种。
4、所述的微纳转子的材质可以为介质微粒、生物细胞、组织颗粒、药物颗粒、金属颗粒以及其他微小粒子中的一种。
5、所述的毛细管光纤的空气孔形状可以为：圆形、正三角形、方形或者其他正多边形中的一种，且管状包层的形状可以为圆形、方形等其他正多边形中的一种。
本发明的全光纤可调微粒搅拌装置的制作方法为：
将制备好的偏芯光纤或者多芯光纤预制棒放置在光纤拉丝塔上，并固定在旋转电机上，光纤预制棒经过加热炉加热熔融并在垂直牵引力和旋转电机提供的扭转力的共同作用下旋转拉丝，最终拉制成空间结构呈螺旋的结构手型螺旋芯光纤，如图2(a)所示；或将单芯光纤放置于二氧化碳激光器下，在电脑上控制系统的操控下，进行激光扫描使得纤芯的折射率分布在轴向上呈周期性的螺旋变化，按照指定参数在单芯光纤的中央纤芯上刻写出介质手性螺旋芯光纤，如图2(b)所示。在光熔接机中两个可旋转光纤夹分别用于固定两根待熔接光纤(单芯光纤、螺旋芯光纤、毛细管光纤)，光纤切割刀用于切割两根待熔接光纤分别形成供熔接的光纤端面，光纤端面定位单元用于显示光纤端面的结构，光纤熔接单元将两根待熔接光纤的光纤端面熔接在一起；毛细管光纤圆锥台纤端制作：第一种方法：用光纤夹具固定住毛细管光纤，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。第二种方法：把光纤放置于光纤拉锥机上，拉制成合适的锥长并在拉锥区域合适位置切割，形成具有弧形锥面的圆锥台纤端。
本发明的优点主要体现在克服了在先技术的不足，利用毛细管光纤热熔塌陷形成的锥形过渡区实现了对光束的分割，由于螺旋芯光纤对特定光波具有调制作用，当输出为高斯光束时，在管状包层中传输的光束经反射和折射后会在空气孔内或者纤端附近形成多个强汇聚点的高斯光束，实现对处于轴线上的微纳转子的光捕获功能；当输出为涡旋光束时，则对微纳转子光捕获的同时实现定轴旋转的功能，进而对处于空气孔中的溶液实现搅拌功能。整个装置结构微小、集成化强，可对装置进行任意角度的旋转或长距离平移，操作性强。独特的设计不仅使光纤光镊器件更加微型化和集成化，对制作毛细管光纤光镊器件也提供了一种全新的思路，使其在生物医学研究、粒子操纵等领域有广泛的应用价值。
(四)附图说明
图1是全光纤可调微粒搅拌装置的结构示意图。由波长可调激光器1、单芯光纤2、螺旋芯光纤3、毛细管光纤4以及微纳转子5组成。
图2(a)是光纤拉丝塔制备结构手型螺旋芯光纤的示意图。由偏芯光纤201、光纤预制棒202、旋转电机203、加热炉204、垂直牵引力205以及制备的螺旋芯光纤3组成。图2(b)是二氧化碳激光器制备介质手性螺旋光纤的示意图。
图3(a)是光纤熔接机熔接各段光纤的示意图。由单芯光纤301、螺旋芯光纤302、毛细管光纤303、可移动的夹持装置304、夹持装置305、熔接单元306组成。图3(b)是光纤的熔接工艺流程图。由光纤切割、光纤端面清洁、角向定位、光纤熔接四部分组成。
图4(a)是拉锥制得弧形锥面的圆锥台纤端的制备示意图。由CMOS相机401、左手拉锥平台402、加热平台403、右手拉锥平台404、加热系统405、光纤对准、拉锥系统406、光纤图像检测系统407、硬件系统操控平台408、光纤图像409以及计算机操控系统410组成。图4(b)是弧形锥面的圆锥台纤端的结构示意图。
图5(a)是磨锥制得圆锥台纤端的制备示意图。由光纤夹具501、毛细管光纤502、研磨盘503组成。图5(b)是圆锥台纤端的结构示意图。
图6是全光纤可调微粒搅拌装置的可行性分析结果图。
图7给出了单芯光纤的不同纤芯形状结构示意图。(a)图中给出了纤芯形状为三角形时的结构示意图。(b)图中给出了纤芯形状为正方形时的结构示意图。(c)图中给出了纤芯形状为环形时的结构示意图。(d)图中给出了纤芯形状为多边形时的结构示意图。
图8给出了偏芯光纤替换为单芯光纤以及多芯光纤时的折射率分布。(a)图中给出了单芯光纤纤芯形状为三角形时的结构示意图。(b)图中给出了单芯光纤纤芯形状为矩形时的结构示意图。(c)图中给出了双芯光纤的结构示意图。(d)图中给出了多芯光纤的结构示意图。
图9给出了毛细管光纤的不同空气孔以及管状包层形状结构示意图。(a)图中给出了空气孔形状为方形，管状包层形状为圆形时的结构示意图。(b)图中给出了空气孔形状为方形，管状包层形状为方形时的结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例来进一步阐述本发明。
结合图1，本发明实施方式是将单芯光纤、螺旋芯光纤、毛细管光纤依次熔融焊接后连为一体，在螺旋芯光纤与毛细管光纤的焊点处由于空气孔热熔塌陷形成锥形过渡区。当单芯光纤的纤芯中特定波长λ1的传导光波经过螺旋芯光纤的中央螺旋纤芯后，中央螺旋纤芯不会对此波长的光波进行相位调制，从而输出的高斯光束经过锥型过渡区时被分割形成空心光束，然后在毛细管光纤的管状包层中传输的空心光束经反射和折射后会在空气孔内或者纤端附近形成在光轴上具有多个汇聚点的强汇聚高斯光束，从而同时对多个微纳转子实施光捕获功能，从而把多个微纳转子固定在光轴上，实现定轴功能，但由于强汇聚高斯光束不具有轨道角动量，因此该光束不能使微纳转子旋转；当利用波长可调激光器向螺旋芯光纤的中央螺旋纤芯中通入特定波长λ2的光波后，由于中央螺旋纤芯会对该波长产生周期性调制，使得中央螺旋纤芯传输的低阶线偏振模式可转化为高阶的相位涡旋模式，经过锥形过渡区的分割以及管状包层的反射和折射后的光波在空气孔中或者纤端附近形成在光轴具有多个强汇聚点的相位涡旋光束，同时对多个微纳转子实施光捕获，实现定轴功能，并且由于相位涡旋光束具有轨道角动量，其产生的光辐射压力的角向分力可以提供多个微纳转子旋转的扭转力矩，因此同时还实现对多个微纳转子旋转的功能；这样，通过对波长λ1和λ2的切换，就可控制微纳转子处于非旋转和旋转状态，从而实现微纳转子对周围溶液的搅拌可调功能。
基于螺旋芯光纤与毛细管光纤熔融后形成的单光纤集成器件的制备过程可分为以下三个步骤(见图2-图5)：
步骤1、螺旋芯光纤的制备(见图2)。将制备好的偏芯光纤或者多芯光纤预制棒放置在光纤拉丝塔上，并固定在旋转电机上，光纤预制棒经过加热炉加热熔融并在垂直牵引力和旋转电机提供的扭转力的共同作用下旋转拉丝，最终拉制成均匀或者非均匀的结构手型螺旋芯光纤；或将单芯光纤放置于二氧化碳激光器下，在电脑上控制系统的操控下，进行激光扫描并按照指定参数在单芯光纤的中央纤芯周围上刻写出均匀或者非均匀的介质手性螺旋芯光纤。可选的，所述的螺旋芯光纤可通过偏芯光纤旋转拉丝或者先拉丝再热融扭转的方法制备；
步骤2、各段光纤的熔接(见图3)。在光纤切割刀、光纤端面定位单元和光纤熔接单元上均设有与可旋转光纤夹的形状或尺寸相匹配的定位件，通过定位件可实现可旋转光纤夹与光纤切割刀、光纤端面定位单元或光纤熔接单元的快速安装并保持安装位置固定。该定位件可以是定位孔、定位槽或固定位置等。光纤切割刀通过固定件自动固定可旋转光纤夹具的位置，确保每次切割位置一致。光纤端面定位单元通过固定件与可旋转光纤夹具快速安装固定，确保所观察到的光纤端面结构的准确性及操作一致性。光纤熔接单元306上的固定件可同时固定两个可旋转光纤夹，可以左右对称设置，使安装后的两个可旋转纤夹及其分别固定的两根待熔接光纤能够快速准确的进行熔接；
步骤3、纤端微加工(此步骤可采用两种方式制备)：光纤拉锥(见图4)。光纤去除涂覆层之后固定在光纤夹具上，控制系统驱动承载光纤的左手电控位移平台402以及右手电控位移平台404，将光纤送至CMOS相机401视野范围内，在视野区通过自动调焦系统将光纤对焦获得清晰图像409，图像可以通过计算机操控系统410进行显示。计算光纤几何参数与位姿信息并作为反馈量，通过调节左右手五个维度的微动执行装置，实现光纤波导与加热装置的对准。驱动电加热装置408将熔融区送至波导对准位置进行加热，用左、右手电控位移平台对光纤进行一定速度下的拉伸，拉锥完成后，在中心点用光纤切割刀进行切割，最终形成具有弧形锥面的圆锥台纤端。光纤纤端研磨(见图5)。用光纤夹具501固定好毛细管光纤502，然后把纤端放置于研磨盘503上，光纤夹具与光纤研磨盘各连接有一个直流电机驱动使其绕各自的中轴自转；保持毛细管光纤与研磨盘盘面法线呈固定夹角θ，通过光纤夹具和研磨盘的自转即可研磨出张开角为θ的圆锥台纤端。
可选的，单芯光纤为单模光纤、少模光纤或多模光纤中的一种，且纤芯形状可以为：圆形、环形、三角形、矩形或其他多边形中的一种，如图7(a)-(d)所示。
可选的，偏芯光纤可以替换为多芯光纤以及单芯光纤，其中单芯光纤的纤芯形状可以为：三角形、椭圆形、矩形、其他多边形或者非圆形结构中的一种。如图8(a)-(d)所示。
可选的，毛细管光纤的空气孔形状可以为：圆形、正三角形、方形或者其他正多边形中的一种，且管状包层的形状可以为圆形、方形等其他正多边形中的一种，如图9(a)-(b)所示。
此外，圆锥台纤端的锥面可直接对传导光波进行全反射，也可以增镀一层金属反射膜来增强全反射效果。
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
步骤1、螺旋芯光纤制备：按照实施方式的螺旋芯光纤制备方法作出数组长度以及周期各有不同的螺旋芯光纤(见图2)；
步骤2、器件制备：按照实施方式的光纤制备方法制作出10组单芯光纤、螺旋芯光纤、毛细管光纤熔融焊接形成的器件。10组器件中螺旋芯光纤的长度以及周期、圆锥台的张角各有不同。采用带尾纤的波长可调激光器加普通单模光纤进行注光(见图1、图3)；
步骤3、纤端微加工(此步骤可采用两种方式制备)：光纤拉锥：按照实施方式的光纤拉锥方法制作弧形锥面的圆锥台纤端结构(见图4)，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5)；
步骤4、微纳转子的捕获与和定轴旋转功能(见图1)：采用波长可调的激光器给单芯光纤的纤芯通入固定光功率的光束，当单芯光纤的纤芯中特定波长λ1的传导光波经过螺旋芯光纤的中央螺旋纤芯后，中央螺旋纤芯不会对此波长的光波进行相位调制，从而输出的高斯光束经过锥型过渡区时被分割形成空心光束，可以通过精确控制锥区的形状使两部分光束能够充分地分隔并且向纤端传播。然后在毛细管光纤的管状包层中传输的空心光束经反射和折射后会在空气孔内或者纤端附近形成在光轴上具有多个汇聚点的强汇聚高斯光束，从而同时对多个微纳转子实施光捕获功能，从而把多个微纳转子固定在光轴上，实现定轴功能，但由于强汇聚高斯光束不具有轨道角动量，因此该光束不能使微纳转子旋转；当利用波长可调激光器向螺旋芯光纤的中央螺旋纤芯中通入特定波长λ2的光波后，由于中央螺旋纤芯会对该波长产生周期性调制，使得中央螺旋纤芯传输的低阶线偏振模式可转化为高阶的相位涡旋模式，经过锥形过渡区的分割以及管状包层的反射和折射后的光波在空气孔中或者纤端附近形成在光轴具有多个强汇聚点的相位涡旋光束，同时对多个微纳转子实施光捕获，实现定轴功能，并且由于相位涡旋光束具有轨道角动量，其产生的光辐射压力的角向分力可以提供多个微纳转子旋转的扭转力矩，因此同时还实现对多个微纳转子旋转的功能；这样，通过对波长λ1和λ2的切换，就可控制微纳转子处于非旋转和旋转状态，从而实现微纳转子对周围溶液的搅拌可调功能。对每一组器件的捕获效果进行记录，并在制备过程中不断的改变螺旋芯光纤的螺旋周期、长度以及毛细管光纤的锥形的参数。
Claims (9)
1.全光纤可调微粒搅拌装置，其特征是：它由波长可调激光器(1)、单芯光纤(2)、螺旋芯光纤(3)、毛细管光纤(4)以及微纳转子(5)组成，单芯光纤(2)由纤芯(201)和包层(202)组成，将偏芯光纤同轴热熔扭转制得螺旋芯光纤(3)，螺旋芯光纤(3)由中央螺旋纤芯(301)以及包层(302)组成，毛细管光纤(4)由空气孔(401)和管状包层(402)组成，将单芯光纤、螺旋芯光纤、毛细管光纤依次熔融焊接后连为一体，在螺旋芯光纤(3)与毛细管光纤(4)的焊点(8)处由于空气孔(401)热熔塌陷形成锥形过渡区(403)；当单芯光纤(2)的纤芯(201)中特定波长λ1的传导光波经过螺旋芯光纤(3)的中央螺旋纤芯(301)后，中央螺旋纤芯(301)不会对此波长的光波进行相位调制，从而输出的高斯光束(6)经过锥型过渡区(403)时被分割形成空心光束，然后在毛细管光纤(4)的管状包层(402)中传输的空心光束经反射和折射后会在空气孔(401)内或者纤端附近形成在光轴上具有多个汇聚点的强汇聚高斯光束(7)，从而同时对多个微纳转子(5)实施光捕获功能，从而把多个微纳转子(5)固定在光轴上，实现定轴功能，但由于强汇聚高斯光束(7)不具有轨道角动量，因此该光束不能使微纳转子(5)旋转；当利用波长可调激光器(1)向螺旋芯光纤(3)的中央螺旋纤芯(301)中通入特定波长λ2的光波后，由于中央螺旋纤芯(301)会对该波长产生周期性调制，使得中央螺旋纤芯(301)传输的低阶线偏振模式可转化为高阶的相位涡旋模式(9)，经过锥形过渡区(403)的分割以及管状包层(402)的反射和折射后的光波在空气孔(401)中或者纤端附近形成在光轴具有多个强汇聚点的相位涡旋光束(10)，同时对多个微纳转子(5)实施光捕获，实现定轴功能，并且由于相位涡旋光束(10)具有轨道角动量，其产生的光辐射压力的角向分力可以提供多个微纳转子(5)旋转的扭转力矩，因此同时还实现对多个微纳转子(5)旋转(11)的功能；这样，通过对波长λ1和λ2的切换，就可控制微纳转子(5)处于非旋转和旋转状态，从而实现微纳转子(5)对周围溶液的搅拌可调功能。
2.根据权利要求1所述的全光纤可调微粒搅拌装置，其制备方法如下：(1)热熔扭转：用扭转机将偏芯光纤同轴周期性扭转数个螺距并进行定长度切割获得螺旋芯光纤；(2)熔融焊接：用焊线焊接机把单芯光纤、螺旋芯光纤和毛细管光纤依次热熔焊接在一起；(3)毛细管光纤的纤端可采用圆锥台纤端结构，圆锥台纤端制作：第一种方法：用光纤夹具固定住毛细管光纤，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；第二种方法：把光纤放置于光纤拉锥机上，拉制成合适的锥长、锥角并在拉锥区域合适位置切割，形成具有弧形锥面的圆锥台纤端。
3.根据权利要求2所述的圆锥台纤端，其特征是：所述的圆锥台纤端的锥面可直接对传导光波进行全反射，也可以增镀一层金属反射膜来增强全反射效果。
4.根据权利要求1所述的全光纤可调微粒搅拌装置，其特征是：所述的单芯光纤为单模光纤、少模光纤或多模光纤中的一种，且纤芯形状可以为：圆形、环形、三角形、矩形或其他多边形中的一种。
5.根据权利要求1所述的全光纤可调微粒搅拌装置，其特征是：所述的螺旋芯光纤可通过偏芯光纤旋转拉丝或者先拉丝再热融扭转的方法制备。
6.根据权利要求1所述的全光纤可调微粒搅拌装置，其特征是：所述的偏芯光纤可以替换为单芯光纤或者多芯光纤，采用二氧化碳激光、电弧、氢氧焰等加热方式热熔扭转直接形成的结构手性螺旋光栅，且单芯光纤的纤芯形状可以为：三角形、椭圆形、矩形、其他多边形或者非圆形结构中的一种；可选的，也可以替换为单芯光纤采用二氧化碳激光或者飞秒激光在中央纤芯上均匀或非均匀刻写形成的介质手性螺旋光栅。
7.根据权利要求6所述的手性螺旋光栅，其特征是：不管是介质手性螺旋光栅还是结构手性螺旋光栅都可在中央纤芯中实现非涡旋模式转化为涡旋模式，用于对微纳转子的旋转操纵。
8.根据权利要求1所述的全光纤可调微粒搅拌装置，其特征是：所述的微纳转子的材质可以为介质微粒、生物细胞、组织颗粒、药物颗粒、金属颗粒以及其他微小粒子中的一种。
9.根据权利要求1所述的全光纤可调微粒搅拌装置，其特征是：所述的毛细管光纤的空气孔形状可以为：圆形、正三角形、方形或者其他正多边形中的一种，且管状包层的形状可以为圆形、方形等其他正多边形中的一种。
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