CN113687470A - 基于空气缺陷微腔的单光纤光镊 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是基于空气缺陷微腔的单光纤光镊。其特征是：该器件通过空气缺陷微腔2将单芯光纤3的传导模场5调制形成多级发散光束6，再经在锥形纤端4和外部溶液分界面处发生的全内反射后形成强汇聚光束7，最终在光轴上形成多个能够捕获微纳粒子12的汇聚点11，并在锥形纤端4表面形成能够持续输运微粒的倏逝场，从而将微粒输运和多微粒捕获的功能集成于单根光纤之中。此外，还可以通过改变光波长实现汇聚点11位置和数量的调节，达到对微纳粒子12捕获位置或运动状态的动态调控的目的。可用于生物或介质微纳小粒子的光操纵调控，具有集成化、微小化、稳定化等特点，在多势阱光捕获、微粒光拉伸、微粒光震荡等领域拥有广泛的应用前景。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于空气缺陷微腔的单光纤光镊。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运动状态的动态调控，包括但不限于捕获、输运、振荡和弹射等等，属于光纤技术领域。
(二)背景技术
光纤光镊经过多年的发展已经成为光镊技术中一重要的研究分支，随着人们对光纤光镊研究的深入，不同的光学操纵对象对光纤光镊的操纵性能提出了更高的要求。为了满足各式各样情况下光学微操纵的功能需求，结构型光纤光镊引起了研究人员的注意，并提出了多种的成功案例。例如将多根预加工端面后的光纤封装在石英毛细管中制成的基于光纤的全反射棱镜器件被用于实现非接触式的三维捕获(Nature Photonics,2007,1(12),723-727)。通过调节阶跃折射率光纤和单模光纤排列在石英毛细管玻璃管中形成的空气微腔长度来扩增光学微操纵范围 (Optics Express 2015,23(3),3762-3769)。上述案例着眼于结构型光纤从而改善了光纤光镊的功能表现，但是，并没有提高光纤光镊的集成性，换言之也就是功能单一。为此，有研究者提出利用光纤光镊和微流控技术相结合实现对微粒分选和输运的案例(Optics Communications 2018,427,563-566)，尽管此案例实现了功能性的集合，但是，由于微粒捕获和输运需要通过两种技术相互配合完成，所以此器件的功能流畅性并不理想。目前来看，将多种光学微操纵功能集成于单根光纤仍是一个巨大的挑战。
自1992年S.Kawata和T.Sugiura(Optics Letters,1992,17,772-774)证明了可以用棱镜产生的倏逝场对微粒进行操纵后，基于倏逝场的微粒操作得到了迅速地发展。Bykov等人(Nature Photonics,2015,9(7):461-465)采用空芯光子晶体光纤的传输光场的辐射压力实现对储存于空芯孔内的微粒的长距离输运。专利 (CN201110047640.4)提出了一种基于中空融嵌芯毛细管光纤的微粒输运器件，但是，由于光纤中的倏逝波从光纤纤芯中到包层所能提供的光学力随着距离光纤纤芯距离越来越小，所以这种器件对粒子捕获能力和运输能力不高。
专利(CN201410309680.5)提出了一种基于渐变折射率多模光纤的光纤光镊及其使用方法，考虑到需要调节渐变折射率多模光纤和单模光纤之间一可调节的空气腔长度，需要调节该空气腔的长度调节该光纤光镊的捕获距离，而本发明所提出的基于空气缺陷的单光纤光镊可以利用可调谐激光器1即可实现对应的功能，不仅如此本发明的基于空气缺陷微腔的单光纤光镊还将微粒输运和微粒运动状态调控的功能集成于单根光纤之内，提高了单光纤光镊功能集成性的同时，为更多的微粒光学操纵提供了可能。
利用光纤对粒子实现三维捕获操作，其光纤纤端需要经过特殊的加工，具体的加工方法有熔融拉锥法和特制研磨机研磨法以及其他多种方法(Journal of Li ghtwaveTechnology 2015,33(16),3394-3405)。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。
为了提高光纤光镊器件的功能集成性，本发明着眼于结构型光纤光镊，设计了具有独特结构的光纤光镊。利用在单芯光纤中制造的空气缺陷微腔以及满足全内反射条件的锥形纤端结构将微粒输运和多粒子捕获的功能同时集成于单根光纤光镊之中。单芯光纤中的空气缺陷微腔能够将纤芯中的传导模场调制，纤芯中的传导模场经调制后形成在包层中传输的多级发散光束，再经过锥形纤端的全内反射最终在光轴上形成多个汇聚点，从而能够同时捕获多个微纳粒子。又由于多级发散光束在锥形纤端表面的全内反射时会形成沿锥形纤端表面传输的倏逝场，锥形纤端表面将会持续的输运粒子至纤端端面附近，最后被出射光场捕获到汇聚点附近，从而将微粒输运和多微粒捕获两种功能集成于单根光纤。本发明提出的基于空气缺陷微腔的单光纤光镊不仅提高了单光纤光镊器件的功能集成性，还拓展了其在多势阱光捕获、微粒光拉伸、微粒光震荡等领域的应用潜力。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种基于空气缺陷微腔的单光纤光镊及其制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
如图1所示基于空气缺陷微腔的单光纤光镊是由可调谐激光器1、含有空气缺陷微腔2的单芯光纤3及其锥形纤端4组成。可调谐激光器1可以按照需求输出波长不同的激光，单芯光纤3由纤芯301以及包层302组成，空气缺陷微腔 2内部为空气外部为包层302，锥形纤端4负责输运微粒12和使光束6全内反射进而形成强汇聚光束10。利用圆弧状纤端间挤压产生的应力，在熔融焊接的过程中制作空气缺陷微腔2。所述器件中单芯光纤3的纤芯301中的传导模场5经空气缺陷微腔2的调制形成多级发散光束6，可以通过精确的控制空气缺陷微腔2 的大小和形状使传导模场5被充分调制。调制后形成的多级发散光束6在锥形纤端4表面发生全内反射后在光轴上形成多个汇聚点11，用以同时捕获多个微纳粒子12。不仅如此，由于锥形纤端4表面发生的全内反射，会形成沿锥形纤端4表面传输的倏逝场8，锥形纤端附近的微粒将会被倏逝场持续的输运到光纤端面附近，接着被输运光纤端面的微粒12将会被出射光场10捕获到汇聚点11附近。当利用可调谐激光器1对通入单芯光纤中输入光波长进行周期性调控时，在光轴上形成的多个汇聚点11的轴向位置也会对应发生改变，即可实现对处于纤端附近捕获的单个或多个微纳粒子12运动状态的动态调控，实现单个或多个微纳粒子 12的光捕获、振动、拉伸等功能。
本发明的基于空气缺陷微腔的单光纤光镊的制作方法为：
如图2(a)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的单芯光纤201，光纤切割刀用于切割两根待熔接光纤分别形成供熔接的平整光纤端面，光纤夹具202用于固定光纤201的位置。接着如图2(b)光纤熔接单元将两根待熔接光纤的平整端面预熔制成圆弧状端面。最后，如图2(c)-2(d)接着重复上述步骤使两根光纤重新处于待熔接状态，接着选择熔接机手动模式，同时调整两侧的单芯光纤使其挤压并产生应力，当放电电极206放电熔融后即可得到含有空气缺陷微腔208的单芯光纤。可选的，在圆弧状纤端挤压处可加入折射率匹配溶液207，溶液的挥发将有助于空气缺陷微腔208的形成。
锥形纤端的制作方法有两种，第一种方法如图3(a)：把单芯光纤放置于光纤拉锥机上，拉制成合适的锥长并控制速度使其自然断裂，形成具有抛物线形锥面的抛物线形纤端如图3(b)所示。第二种方法如图4(a)：用光纤夹具401固定住单芯光纤402，然后把光纤纤端放置于光纤研磨盘403上，光纤夹具401与光纤研磨盘403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如图4(b)所示。
锥形纤端的底角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为单芯光纤包层的折射率。满足这种条件时，纤芯中传导模场经空气缺陷微腔调制形成的多级发散光束经过此锥形纤端时，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，产生可捕获微纳粒子的光阱。可选的，锥形纤端的表面可以增镀一层金属膜，此时锥角将不受限制，从而更有效的对光束进行收集。
对所述的基于空气缺陷微腔的单光纤光镊的可行性进行分析，理论分析结果如图5(a)-(b)所示。图5(a)所示单光纤光镊器件为含有空气缺陷微腔的单光纤光镊，并对单模光纤进行通光的二维平面光场图。在图5(a)中502所指区域我们可以看到在z方向500um到550um段中拥有多个光强极大值，代表着多个强聚焦点的位置，能够捕获多个微纳粒子。图5(a)中501标注为多级发散光束发生全内反射的锥形纤端表面以及形成的沿锥形纤端表面传输的倏逝场。图5(b)所示为图5(a)结果的轴向光强一维分布图，在光纤端面之后的50um内即500到550um 段中拥有多个极大光强值。
本发明的基于空气缺陷微腔的单光纤光镊还可以包括：
1、所述的无芯光纤也可以为图6(a)所示的阶跃折射率多模光纤或者图6(b)所示的渐变折射率多模光纤。
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，且纤芯形状可以为图7(a)-7(f)所示中的：圆形、椭圆形、环形、三角形、矩形或其他多边形中的一种。
3、所述的单芯光纤可替换为纤芯呈不同阵列分布的多芯光纤，纤芯阵列分布的种类可以为图8(a)-8(h)中所示的：直线、环形、三角形、矩形或其他多边形分布中的一种分布。
4、所述的锥形纤端的锥面可直接对多级发散光束进行全内反射，也可以增镀一层金属反射膜来增强全反射效果。
本发明的优点主要体现在克服了在先技术的不足，利用单芯光纤中的空气缺陷微腔实现了对单芯光纤中传导模场的调制，调制形成的多级发散光束在锥形纤端表面发生全内反射后会在锥形纤端表面形成足以驱动微粒输运的倏逝场，并在纤端附近的光轴上形成多个汇聚点，从而同时捕获多个微纳粒子。由可调谐激光机控制输入光的波长从而调控捕获点的位置，最终实现对微纳粒子的输运、储存、振荡和弹射功能。整个装置结构简单、功能集成化程度高，可对装置进行任意角度的旋转或长距离平移，可操作性强。独特的设计不仅使光纤光镊器件更加微型化和集成化，对制作多功能的单光纤光镊器件也提供了利用倏逝场的思路，使其对微纳粒子和生物细胞的结构、运动状态等研究方向有广泛的应用价值。
(四)附图说明
图1是基于空气缺陷微腔的单光纤光镊的结构示意图。由波长可调激光器1、含有空气缺陷微腔2的单芯光纤3及其锥形纤端4组成。
图2(a)-2(d)是光纤熔接机熔接各段光纤的示意图。图中所示包括单芯光纤201、可移动的夹持装置202、熔接单元206、折射率匹配溶液207、空气缺陷微腔208组成，包括光纤切割、圆弧状光纤端面预熔、空气缺陷微腔制备、光纤熔接四个步骤。
图3(a)是熔融拉锥法制备锥形纤端的制备示意图。由CMOS相机301、左手拉锥平台302、加热平台303、右手拉锥平台304、加热系统305、光纤对准、拉锥系统306、光纤图像检测系统307、硬件系统操控平台308、光纤图像309以及计算机操控系统310组成。图3(b)是弧形端面的抛物线形纤端的结构示意图。
图4(a)是磨锥制得圆锥台纤端的制备示意图。由光纤夹具401、毛细管光纤402、研磨盘403组成。图4(b)是圆锥台纤端的结构示意图。
图5是基于空气缺陷微腔的单光纤光镊的可行性分析结果图。
图6给出了单芯光纤替换为多模光纤时的折射率分布。分别为阶跃折射率多模光纤和渐变折射率多模光纤的结构示意图。
图7给出了单芯光纤的不同纤芯形状结构示意图。图7(a)中给出了纤芯形状为三角形时的结构示意图。图7(b)中给出了纤芯形状为正方形时的结构示意图。图7(c)中给出了纤芯形状为环形时的结构示意图。图7(d)中给出了纤芯形状为多边形时的结构示意图。图7(e)中给出了纤芯形状为圆形时的结构示意图。图 7(f)中给出了纤芯形状为椭圆形时的结构示意图
图8给出了单芯光纤可替换的不同纤芯分布的阵列多芯光纤。图8(a)中给出了纤芯阵列分布为直线的三芯光纤结构示意图。图8(b)中给出了纤芯阵列分布为矩形以及中央芯的五芯光纤结构示意图。图8(c)中给出了纤芯阵列分布为六边形以及中央芯的七芯光纤结构示意图。图8(d)中给出了纤芯阵列分布为环形形以及中央芯的同轴双波导光纤结构示意图。图8(e)中给出了纤芯阵列分布为三角形的三芯光纤结构示意图。图8(f)中给出了纤芯阵列分布为矩形的四芯光纤结构示意图。图8(g)中给出了纤芯阵列分布为六边形的六芯光纤结构示意图。图8(h) 中给出了纤芯阵列分布为环形的环形芯光纤结构示意图。
图9是基于空气缺陷微腔的单光纤光镊的应用结构示意图。
(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。
步骤1、器件制备：按照实施方式的光纤制备方法制作基于空气缺陷微腔的单光纤光镊。器件的光纤选用五芯光纤，由于五芯光纤包含更多的纤芯，为了充分调制光纤中的传导模场需要更大的空气缺陷微腔(见图2)。采用带尾纤的可调谐激光器加光纤耦合器101、102配合普通单模光纤对器件进行注光(见图1、图9)。
步骤2、锥形纤端制备(此步骤可采用两种方式制备)：热熔拉锥：按照实施方式的熔融拉锥方法制作抛物线形的锥形结构(见图3)；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(见图4)。
步骤3、基于空气缺陷微腔的单光纤光镊的功能实现(见图1、图9)：采用可调谐激光器1给光纤的纤芯通入固定光功率的光束，当纤芯中形成的传导模场5到达空气缺陷微腔2后，由于空气缺陷微腔2的折射率低于周围包层的折射率，因此空气缺陷微腔2等效于散射透镜，光纤纤芯中的传导模场5将会被调制形成在包层中传输的多级发散光束6。形成的多级发散光束6经锥形纤端4的全内反射形成强汇聚光束7，同时形成沿着锥形纤端4表面传输的倏逝场8。强汇聚光束7从纤端端面9出射后形成出射光场10，最后，出射光场10在光轴上汇聚并形成多个汇聚点11,实现多个光阱位置同时对多个微纳粒子的三维光捕获。并且微纳粒子12被倏逝场8持续的输运到锥形纤端的端面处，然后被出射光场 10捕获在汇聚点11附近，使微粒输运和多微粒捕获两种功能前后相接，集成一体。当利用可调激光器周期性控制输入光的波长时，汇聚点的轴向位置将会随之周期性的变化，即可实现对微纳粒子12捕获位置和运动状态的动态调控。并且当当单芯光纤替换为图9例中的五芯光纤时，通过分控各个纤芯中的能量配比，可以进一步提高对微粒的可控性，例如旋转、拉伸、震荡等功能。
Claims (6)
1.基于空气缺陷微腔的单光纤光镊，其特征是：该器件由可调谐激光器1、带有空气缺陷微腔2的单芯光纤3及其锥形纤端4组成，其中，单芯光纤3包含纤芯301和包层302；可调谐激光器1的输出激光注入到单芯光纤3后形成传导模场5，由于空气缺陷微腔2的折射率低于周围包层302的折射率，因此空气缺陷微腔2等效于散射透镜，传导模场5会被空气缺陷微腔2调制并形成在包层302中传输的多级发散光束6；在满足全内反射的条件下，多级发散光束6会被锥形纤端4全内反射后形成强汇聚光束7，同时形成沿着锥形纤端4表面传输的倏逝场8；强汇聚光束7从锥形纤端端面9出射后形成出射光场10，最后，出射光场10会在光轴上汇聚后形成多个汇聚点11；一方面，锥形纤端4周围的多个微纳粒子12会被倏逝场8捕获，并在倏逝场8作用下沿着锥形纤端4的表面移动，实现对多个微纳粒子12的输运功能；另一方面，多个微纳粒子12被倏逝场8持续地输运到锥形纤端端面9，然后被出射光场10捕获在汇聚点11附近，实现对多个微纳粒子12的光捕获功能，此外，通过可调谐激光器1对光波长的调节，实现对多级发散光束6的改变和汇聚点11位置和数量的调节，最终实现对多个微纳粒子12捕获位置或运动状态的动态调控，实现光捕获、振动、拉伸等功能。
2.根据权利要求1所述的基于空气缺陷微腔的单光纤光镊，其特征是，所述的基于空气缺陷微腔的单光纤光镊制备步骤如下：(1)单芯光纤预处理：利用熔接机加热熔融预先处理平整的单芯光纤纤端，使其自然形成圆弧状的端面；(2)热熔焊接：无需取出光纤，在上一步的基础上复位熔接机，选择“手动熔接”模式，调整两侧单芯光纤的位置，使两侧光纤的圆弧状端面接触并产生应力，按下放电按键，即可制成含有空气缺陷微腔的单根光纤，可选地，在圆弧状纤端接触面处加入折射率匹配溶液会有助于空气缺陷微腔的形成；(3)锥形纤端可采用圆锥台纤端结构：用光纤夹具固定住单芯光纤，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；锥形纤端也可采用抛物线形纤端：利用热熔拉锥的方法，将单芯光纤固定在光纤夹具上，使放电电极位于预定熔断位置之上，在电极放电熔融的同时由电机牵动其中一侧的光纤，未施加拉力的另一侧光纤纤端将会被制成抛物线形纤端。
3.根据权利要求1所述的基于空气缺陷微腔的单光纤光镊，其特征是：所述的单芯光纤的纤芯轮廓分布是圆形、椭圆形、环形、三角形、矩形和其他多边形的一种。
4.根据权利要求1所述的基于空气缺陷微腔的单光纤光镊，其特征是：所述的单芯光纤也可以为环形、三角形、矩形或其他多边形分布的阵列多芯光纤。
5.根据权利要求1所述的基于空气缺陷微腔的单光纤光镊，其特征是：所述的单芯光纤也可以为阶跃折射率分布或者渐变折射率分布的多模光纤。
6.根据权利要求1所述的基于空气缺陷微腔的单光纤光镊，其特征是：所述的锥形纤端的锥面也可以增镀一层金属反射膜来增强全反射效果。
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