CN112068251A - 一种光纤贝塞尔光束光镊及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种光纤贝塞尔光束光镊及装置。其特征是：它由单模光纤1、无芯光纤2、光纤端轴棱锥3以及激光器4组成。单模光纤1的一端熔接一小段无芯光纤2，在无芯光纤2的另端，加工有一个轴棱锥3。单模光纤的光经过一小段无芯光纤后传输至轴棱锥上，在对称轴两边的光束向对称轴折射，在光束交叠的区域5形成了贝塞尔光束，从而形成稳定捕获粒子的光学势阱。本发明可用于微粒的捕获，可广泛用于光动力操控等领域。

Description

一种光纤贝塞尔光束光镊及装置

(一)技术领域

本发明涉及的是一种光纤贝塞尔光束光镊及装置，可用于细胞或微粒的捕获、弹射，属于光操纵技术领域。

(二)背景技术

1986年，Askin和他的同事首次提出“光镊”的概念[Optical Letters，18(5)：288-290，1986]，开拓了光捕获微粒研究的新领域。目前，光镊技术成为了探索微观世界的科学研究通用工具。

光镊，即用光来抓物体。但与之不同的是，光镊是使粒子受到光的束缚从而达到“抓”的效果。光镊可以使空间分辨率达到纳米量级，使力的分辨率达到皮牛量级，使得时间分辨率达到毫秒量级。这使得人们能从单细胞水平以至单分子水平上研究生命体。过去几十年的发展使这些工具从精密仪器转变为高度通用的分子生物物理仪器。目前，光镊已经成为生物科学中最广泛使用的高精度定位技术和测量皮牛力的技术。

尽管传统光镊已经取得了显著的结果，但是在相当多的环境中，它们的使用仍然受到限制。例如，使用通常工作距离很小的传统光镊系统很难使光束在厚样品或混浊介质中聚焦。此外，成本和可移植性问题也是它们广泛使用的障碍。

为解决上述问题，2016年，苏晨光等人公开了一种光镊系统中的微球自动捕获方法(申请号：201610832084.4)，能够自动识别、捕获800nm–10um的粒子，有效的提高实验的效率，减轻实验者的工作量，并提升实验数据的稳定性。同年，黄维等人公开了一种基于四芯螺旋光纤的光纤光镊及其制作方法(申请号：201610412841.2)。将四芯光纤进行扭转之后，形成螺旋光纤，从而形成光纤光镊2017年，张永惠等人公开了一种基于斜光线环形光场的阶跃多模光纤光镊(申请号：201721083580.0)，在多模光纤纤芯中，构造完全由斜光线构成的环形光场，将光纤头研磨后，形成光强梯度场，从而捕获细胞或飞升级的微液滴。

此外，申请人在2010年公开了一种基于同轴双波导结构的吞吐式光纤光镊及制备方法(申请号：201010215424.1)。利用同轴双波导光纤对微粒进行操控，通过调节改变光源光功率，可实现稳定捕获粒子的吞吐、发射，甚至吸回，同时，对微粒的捕获更加灵活、准确，具备可调节性，大大提高了光纤光镊技术的实用性。

以上专利，虽然都能对粒子进行捕获、吞吐等操控，但是他们操作复杂，且成品率低。

本发明公开了一种光纤贝塞尔光束光镊及装置。可用于细胞或微粒的捕获可广泛用细胞操控等领域。单模光纤的一端熔接一小段无芯光纤，在无芯光纤的另端，用精细研磨的方式加工一个轴棱锥。单模光纤传输的光经过一小段无芯光纤后至轴棱锥上，在对称轴两边的光束向对称轴折射，在束交叠的棱锥区域形成了贝塞尔光束。与在先技术相比，本发明为全光纤结构，集成度高，体积小，易于使用；加工周期短且成品率高，可用于批量生产。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、具有捕获细胞或微粒的光纤光镊及系统。

本发明的目的是这样实现的：

它由单模光纤1、无芯光纤2、光纤端轴棱锥3以及激光器4组成。单模光纤1的一端熔接一小段无芯光纤2，在无芯光纤2的另端，加工有一个轴棱锥3。激光器4中的光经单模光纤1传输的至一小段无芯光纤2后至轴棱锥3上。单模光纤1传输的光经过一小段无芯光纤2后至轴棱锥3上，由于无芯光纤2很短，光束未完全发散，仍可看作是平行光束。在对称轴两边的光束向对称轴折射，在光束交叠的区域5形成了贝塞尔光束，从而形成稳定捕获粒子的光学势阱。

所述的无芯光纤2，其长度为L₁，由于L₁过长会产生干涉，而过短则不容易切割。优选的，L₁为300μm。

在各向同性、均匀且非磁性的介质中，不考虑介质损耗，可以由麦克斯韦方程组和物质方程得到电场的波动方程：

该方程在z>0的范围内有一个特解为：

其中α和β满足

为

的函数。

在圆对称系统中，

与

无关，将贝塞尔恒等式代入得：

E(x,y,z>0,t)＝E(r,z>0,t)＝A₀J₀(αr)exp[i(βz-ωt)]

式中，A₀为常数，且r²＝x²+y²,J₀(αr)为第一类0阶贝塞尔函数。

截面光强分布为：

I(r,z≥0)＝E(r,t)*E^*(r,t)＝|A₀J₀(αr)|²＝I(r,z＝0)

在z>0的区域内光场截面分布不发生变化，传播一段距离后仍然保持原来的光场分布不变，即贝塞尔光束具有无衍射特性的原因。

棱锥的顶角范围优选为125°≤δ≤160°。

比于现有技术，本发明的突出优点在于：

(1)本发明为全光纤结构，集成度高，体积小，易于使用。

(2)加工周期短且成品率高，可用于批量生产。

(四)附图说明

图1是一种光纤贝塞尔光束光镊及装置的系统结构图。由单模光纤1、无芯光纤2、光纤端轴棱锥3以及激光器4组成。5是形成贝塞尔光束的区域。

图2是一种光纤贝塞尔光束光镊及装置的局部放大图，5是形成贝塞尔光束的区域，3是入射光线，dmax是无衍射距离。

图3是飞秒激光加工轴棱锥示意图。其中6是飞秒激光改性的部分，3是轴棱锥，2是无芯光纤。

(五)具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

实施例1：以研磨方式加工锥台3的过程。

步骤1：取单模光纤1和无芯光纤2各一段，去除涂覆层，用切割刀将光纤端面切平，并用酒精擦拭干净。

步骤2：将两段光纤放入光纤熔接机中进行熔接。

步骤3：利用定长度切割系统对无芯光纤2进行切割，使得无芯光纤2的长度为300μm。

步骤4：将焊接好的光纤用酒精擦拭除尘，然后将光纤放入光纤端精细研磨台中；

步骤5：研磨盘放粗砂纸，调节光纤研磨角度，设置研磨时间为30min；

步骤6：研磨盘换细砂纸进行抛光，调节光纤研磨角度，设置抛光时间为10min；

实施例2：飞秒激光加工锥台3制备过程。其示意图如图3所示。

步骤1：取单模光纤1和无芯光纤2各一段，去除涂覆层，用切割刀将光纤端面切平，并用酒精擦拭干净。

步骤2：将两段光纤放入光纤熔接机中进行熔接。

步骤3：利用定长度切割系统对无芯光纤2进行切割，使得无芯光纤2的长度为350μm。

步骤4：将焊接好的光纤用酒精擦拭除尘，然后将光纤放入飞秒微加工系统的位移台上；

步骤5：设置频率为60kHz，功率为0.5mW，选择50倍、数值孔径0.42的物镜，使飞秒激光通过显微物镜聚焦到光纤端表面；

步骤6：在自己编写的上位机软件上画出图形并生成可执行代码，并执行代码。加工完成后光纤端有两个部分，一部分为未改性的部分，另一部分为改性后的部分。改性部分如图3中(6)所示。

步骤7：将利用飞秒激光扫描加工后的样品置于浓度3％的氢氟酸溶液，超声波清洗机辅助腐蚀，腐蚀约25min，改性部分脱落，即可加工出轴棱锥。

实施例3：粒子的捕获。

整个系统连接完毕后，打开光源4，激光光源通过单模光纤1进入无芯光2后到轴棱锥3上，由于无芯光纤2的长度仅为几百微米，光束传播到轴棱锥3上未完全扩散，所以任然可以看作近似平行的光束。在对称轴两边的光束向对称轴折射，在束交叠的棱锥区域形成了贝塞尔光束。光束会聚后，形成了稳定捕获粒子的光学势阱，从而达到了捕获小球的目的。

Claims (4)

1.一种光纤贝塞尔光束光镊及装置。它由单模光纤(1)、无芯光纤(2)、光纤端轴棱锥(3)以及激光器(4)组成。单模光纤(1)的一端熔接一小段无芯光纤(2)，在无芯光纤(2)的另端，加工有一个轴棱锥(3)。单模光纤传输的光经过一小段无芯光纤后至轴棱锥上，在对称轴两边的光束向对称轴折射，在光束交叠的区域(5)形成了贝塞尔光束，从而形成稳定捕获粒子的光学势阱。

2.根据权利要求1所述的一种光纤贝塞尔光束光镊及装置中单模光纤(1)，其特征是：也可以是纤芯数量大于等于2的多芯光纤。

3.根据权利要求1所述的一种光纤贝塞尔光束光镊及装置中无芯光纤(2)，其特征是：也可以是大芯径多模光纤。

4.根据权利要求1所述的一种光纤贝塞尔光束光镊及装置中棱锥(3)，其特征是：其顶角范围为125°≤δ≤160°。

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