CN113707356B - 一种灵活的光学微手系统及粒子操控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种灵活的光学微手系统及粒子操控方法，其特征是：所述的光学微手系统包括十通道动力光源、光纤耦合器、第一光纤衰减器、第二光纤衰减器、光纤相位调制器、三芯光纤扇入扇出器、三芯光纤、九芯光纤扇入扇出器、九芯光纤、显微镜、计算机。九芯光纤具有3×3的方形分布的纤芯，其纤端有锥体圆台结构，可反射聚焦八个周边纤芯内的操纵光束，九芯光纤的中间芯为少模纤芯。可以通过控制这些纤芯内传输的操控光的强度、相位来实现对微粒的捕获、旋转等姿态调整功能，还可以实现微粒的定向运输功能。可广泛用于复杂的微粒光操纵领域。

Description

一种灵活的光学微手系统及粒子操控方法

技术领域

本发明涉及的是一种灵活的光学微手系统及粒子操控方法，属于光镊微操纵技术领域。

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 asingle-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。

为了对捕获的微粒实现姿态调整，具备类似于手的功能，实现对目标微粒的抓取、三维旋转、定向抛出等功能，专利CN201711184344.2提出了一种可编程光纤微光手，该发明通过对7芯光纤光镊的每个纤芯内光功率的编程控制，来实现粒子的捕获、旋转、震荡、弹射等操纵。但是操纵光束聚焦于一点，旋转操作的力矩小，并且旋转维度不是很全面，控制相对困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种灵活的光学微手系统，还提供了该系统对微粒的控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种灵活的光学微手系统，该系统的结构如图1，所述的光学微手系统包括十通道动力光源1、光纤耦合器6、第一光纤衰减器7-1、第二光纤衰减器7-2、光纤相位调制器8、三芯光纤扇入扇出器3、三芯光纤4、九芯光纤扇入扇出器5、九芯光纤2、显微镜9、计算机10。其中1)九芯光纤2的九个纤芯呈3×3方形网格分布，中间芯为三模纤芯，八个周边芯为单模纤芯；2)九芯光纤2的输出纤端有锥体圆台结构；3)十通道动力光源1的第一至第八输出通道1-1～1-8和九芯光纤扇入扇出器5的八个周边芯输入光纤分别连接，输入九芯光纤2八个周边纤芯内传输的操纵光束可被纤端锥体圆台反射聚焦；4)十通道动力光源1第九通道1-9和光纤耦合器6连接后分成等功率的两路，其中一路依次接上第一光纤衰减器7-1和光纤相位调制器8后输入三芯光纤扇入扇出器3的第一通道，另一路接上第二光纤衰减器7-2后输入三芯光纤扇入扇出器3的第二通道；5)十通道动力光源1的第十通道1-10和三芯光纤扇入扇出器3的第三通道连接；6)三芯光纤4和九芯光纤扇入扇出器5的中间芯通道连接，三芯光纤扇入扇出3的第一通道和第二通道分别对应激发九芯光纤2中间三模纤芯的两个LP₁₁模式，通过对第一、第二光纤衰减器7-1、7-2以及光纤相位调制器8的调节，能组合生成三模纤芯内的一阶涡旋光，三芯光纤扇入扇出器3的第三通道可激发九芯光纤2中间三模纤芯的LP₀₁模式。

如图2所示的是九芯光纤的端面结构图，包含九个纤芯。其中外围八个纤芯在动力光波段为单模，例如动力光为980nm或者1064nm。中间芯在动力光波段支持三模，分别为LP₀₁和两个正交的LP₁₁模式,例如动力光为980nm或者1064nm；中间芯在光纤布拉格光栅传感波段为单模，例如传感波段为C波段。

如图3所示，所述九芯光纤的纤芯外有一层掺氟的低折射率隔离层，用于降低各个纤芯之间的能量串扰。

所述九芯光纤2纤端锥体圆台的斜面上可镀有一层反射金属膜。

所述的九芯光纤纤端具有光纤布拉格光栅，系统内有配套的光纤光栅解调仪，用于纤端的温度感测。

如图4所示，所述的三芯光纤4包括最外层的氟掺杂低折射率包层、纯石英包层和三个三角分布的模场有效折射率不同的单模纤芯(4-1)～(4-3)，该光纤将被用于制备九芯光纤中间芯的模分复用器。

如图5所示，所述的三芯光纤扇入扇出器3是通过将三根双包层光纤11插入三孔石英套管12后，绝热拉锥、切割，并与三芯光纤4熔接而成，双包层光纤11的另一端可和标准单模光纤13熔接。双包层光纤11的端面结构和折射率分布如图6所示，其包括一个单模纤芯11-1，一个内包层11-2和外包层11-3。三孔石英套管12的端面结构如图7所示。

图8是双包层光纤11在拉锥后光纤结构的变化图，左图为双包层光纤11拉锥前的端面结构、折射率分布及模场14-1分布，右图为拉锥后的端面结构、折射率分布及模场14-2分布。可以看出，在拉锥前后，光波的模场14-1逐渐从纤芯11-1过渡到内包层11-2内，形成新的模场14-2，由此可制备成三芯光纤扇入扇出器3。

如图9所示，所述的九芯光纤扇入扇出器5是通过将八根双包层光纤11和三芯光纤4插入掺氟的九孔套管15后，绝热拉锥、切割，并与九芯光纤2熔接而成；八根双包层光纤11在拉锥后对应连接九芯光纤2的八个周边纤芯，三芯光纤4在拉锥后对应连接九芯光纤2的中间芯，形成九芯光纤2中间芯的模分复用器。

掺氟的九孔套管15的端面图如图10所示，该套管的孔分布和九芯光纤2的纤芯分布一致，孔内可插入双包层光纤11和三芯光纤4，其中周边八个纤芯扇入扇出的原理和上述的三芯光纤扇入扇出器相同。中间芯的模分复用原理采用的是光子灯笼的机理。

下面进一步描述九芯光纤中间芯的涡旋光生成机理。

如图11所示，九芯光纤2中间芯支持动力光波段的三个模式，(a)为LP₀₁基模，(b)和(c)分别为LP₁₁模。根据光子灯笼的模分复用原理，三芯光纤4的三个纤芯(4-1)～(4-3)分别与三个模式一一对应，如图12-图14所示。

如图15所示，同时向三芯光纤4的两个对应于LP₁₁模的纤芯内注光，并调通过光纤衰减器7-1、7-2和光纤相位调制器8调整两路光波的相位差和功率比来组合形成一阶的涡旋光束，并且，涡旋光束的手性是可以调节的。

如图16所示，该光学微手系统的粒子姿态调整操控方法为：

1)对所述九芯光纤2的九个纤芯进行编号，记为C_ij，其中i和j分别为行号和列号，按照功能分类，九个纤芯可分为2组，包括捕获纤芯组和旋转纤芯组；

2)其中捕获纤芯组包括C₁₁、C₁₃、C₃₁和C₃₃纤芯，该组纤芯内的动力光束经过纤端锥体圆台16的反射后，在纤端前聚焦，形成三维光镊，能稳定捕获微粒17；

3)旋转纤芯组可分为xoy、yoz和xoz面内的旋转，其中纤芯C₂₁和C₂₃内传输的动力光束经过纤端锥体圆台16反射后可作用于捕获的微粒17上，如图17，通过控制两个纤芯内的动力光束的功率可操控微粒17在xoz面的顺时针和逆时针旋转；纤芯C₁₂和C₃₂内传输的动力光束经过纤端锥体圆台16反射后可作用于捕获的微粒17上，通过控制两个纤芯内的动力光束的功率可操控微粒在yoz面的顺时针和逆时针旋转；如图18，纤芯C₂₂为少模纤芯，可通过输入可三芯光纤扇入扇出器3的第一、第二通道来控制C₂₂芯涡旋光的左旋、右旋方向和强度，涡旋光作用于被捕获微粒17上，使捕获微粒17在xoy面内顺时针或逆时针旋转；

4)以上步骤可实现微粒的三维捕获和三维旋转操作，即可在显微镜9下实现微粒17的任意姿态调整。

该光学微手系统的粒子姿态定向扔出的操控方法为：

1)对所述九芯光纤的九个纤芯进行编号，记为C_ij，其中i和j分别为行号和列号；

2)其中C₁₁、C₁₃、C₃₁和C₃₃纤芯内的动力光束经过纤端锥体圆台16的反射后，在纤端前聚焦，形成三维光镊，能稳定捕获微粒17；

3)纤芯C₂₂为少模纤芯，可通过输入三芯光纤扇入扇出器3的第一、第二通道来控制C₂₂芯涡旋光的左旋、右旋方向和强度，涡旋光作用于被捕获微粒17上，使捕获微粒在xoy面内定位、定轴旋转；

4)在通过三芯光纤扇入扇出器3的第一、第二通道来控制微粒17定轴旋转的同时，可向三芯光纤扇入扇出器3的第三通道内注入动力光束，将捕获的微粒17旋转射出，实现定向扔出功能。

与在先技术相比，本发明具有如下特点：

本发明采用特种九芯光纤，利用其周边4个纤芯传输光束的聚焦，实现了微粒的稳定捕获，另外四个纤芯内传输的光束能对捕获的微粒在两个正交的平面内顺时针或逆时针旋转，并结合了中间芯涡旋光的光致旋转功能，实现了捕获微粒的第三个正交面内的定轴旋转，真正实现了捕获微粒的三维姿态调整。再使用合适强度的高斯光束，实现微粒的定向弹射。这种旋转定向弹射能实现更远的射程和更高的传输精度。

附图说明

图1是光学微手系统结构图。

图2是九芯光纤2端面结构图。

图3是纤芯周围有一圈低折射率隔离层的九芯光纤。

图4是三芯光纤4的端面结构图。

图5是三芯光纤扇入扇出器3的结构图。

图6是双包层光纤11端面结构图和折射率分布图。

图7是三孔石英套管12的端面结构图。

图8是双包层光纤11在拉锥时的模场从纤芯绝热过渡到内包层的原理图。

图9是九芯光纤扇入扇出器5的结构图。

图10是九孔低折射率套管15的端面结构图。

图11是九芯光纤2中间芯支持的三种模式的模场分布，(a)为LP₀₁基模，(b)和(c)为LP₁₁模。

图12至图15是九芯光纤扇入扇出器5的中间三芯光纤4不同纤芯的输入情况对应九芯光纤2中间芯不同输出模式。

图16是九芯光纤2纤端锥体圆台16结构图，其中(a)为三维结构图，(b)为端面结构图，(c)和(d)分别是(b)中沿着水平和45度方向的轴剖图。

图17是系统用于捕获微粒在xoz或yoz平面内的旋转操作示意图，(a)(b)分别表示顺时针和逆时针旋转，其中纤芯序号上的标记表示对应纤芯在45°剖面上的投影位置，例如C₂₁’表示纤芯C₂₁在45°剖面的位置投影。

图18是系统用于捕获微粒在xoy平面内的旋转操作示意图，(a)(b)分别表示顺时针和逆时针旋转。

图19是具有纤端温度监测的光学微手系统图。

图20是九芯光纤2纤端具有布拉格光纤光栅20用于温度监测的原理图。

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：光学微手用于细胞的捕获和姿态调整。

如图19所示，在光学微手系统中增加光纤光栅解调模块18，用于纤端环境温度监测。整个系统及连接关系为：

十通道动力光源1选择波长为980nm的LD泵浦激光器，输出功率每通道0～100mW可调。该波长在水环境中的吸收系数小，能有效避免细胞17被激光局部加热而损伤。十通道动力光源1的通道1-1至1-8同九芯光纤扇入扇出器件5连接，对应连通九芯光纤2的八个周边纤芯。十通道动力光源1的第九通道1-9输出的光波经过一个3dB光纤耦合器6分成等功率的两路，其中一路连接第一光纤衰减器7-1和光纤相位调制器8后接入三芯光纤扇入扇出器3的第一通道，另一路连接第二光纤衰减器7-2后接入三芯光纤扇入扇出器3的第二通道。十通道动力光源1的第十通道1-10输出的光波和C波段光纤光栅解调模块18的输出被一个光纤波分复用器19合并后接入三芯光纤扇入扇出器3的第三通道。三芯光纤扇入扇出器3的第一和第二通道对应的是九芯光纤2中间芯的LP₁₁模式，通过调整第一、第二光纤衰减器7-1、7-2和光纤相位调制器8，调节两个输入通道的功率和相位差，可以在九芯光纤2中间芯中调节出一阶的涡旋光。九芯光纤末端有锥体圆台16结构，整个细胞操纵过程在倒置生物显微镜9下进行，实现可视化操作。显微镜9、十通道动力光源1和光纤光栅解调模块18和计算机10连接，实现整套系统的控制。

系统用于单细胞姿态调整的操作流程为：

(1)对九芯光纤2的九个纤芯进行编号，记为C_ij，其中i和j分别为行号和列号，按照功能分类，九个纤芯2可分为两组，包括捕获纤芯组和旋转纤芯组。

(2)其中捕获纤芯组包括C₁₁、C₁₃、C₃₁和C₃₃纤芯，打开十通道动力光源对应该组纤芯的通道输出，功率均调整为20mW。该组纤芯内的动力光束经过纤端锥体圆台16的反射后，在纤端前聚焦，形成三维光镊，在显微镜9下稳定捕获细胞17。

(3)同时打开光纤光栅解调模块18，通过末端的布拉格光纤光栅20的反射光谱来监测末端的环境温度，当环境温度超过40摄氏度，系统报警并减小捕获光束的输出功率。

(4)旋转纤芯组可分为xoy、yoz和xoz面内的旋转，其中纤芯C₂₁和C₂₃内传输的动力光束经过末端锥体圆台16反射后可作用于捕获的细胞17上，如图17，通过控制两个纤芯内的动力光束的功率可操控细胞在xoz面的顺时针和逆时针旋转；纤芯C₁₂和C₃₂内传输的动力光束经过纤端锥体圆台反射后可作用于捕获的细胞17上，通过控制两个纤芯内的动力光束的功率可操控细胞在yoz面的顺时针和逆时针旋转；如图18，纤芯C₂₂为少模纤芯，可通过输入可三芯光纤扇入扇出器3的第一、第二通道来控制C₂₂芯涡旋光的左旋、右旋方向和强度，涡旋光作用于被捕获细胞17上，使捕获细胞17在xoy面内顺时针或逆时针旋转。

以上步骤可实现细胞的三维捕获和三维旋转操作，即可在显微镜下实现细胞的任意姿态调整。

在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于这些示例性实施方式。具体术语仅仅用作通用性和说明性意义，并不是为了限制本发明的受保护的范围。

Claims (8)

1.一种灵活的光学微手系统，其特征是：所述的光学微手系统包括十通道动力光源、光纤耦合器、第一光纤衰减器、第二光纤衰减器、光纤相位调制器、三芯光纤扇入扇出器、三芯光纤、九芯光纤扇入扇出器、九芯光纤、显微镜、计算机；其中(1)九芯光纤的九个纤芯呈3×3方形网格分布，一个中间芯为三模纤芯，八个周边芯为单模纤芯；(2)九芯光纤的输出纤端有锥体圆台结构；(3)十通道动力光源的第一至第八输出通道和九芯光纤扇入扇出器的八个周边芯输入光纤分别连接，输入九芯光纤八个周边纤芯内传输的操纵光束可被纤端锥体圆台反射聚焦；(4)十通道动力光源第九通道和光纤耦合器连接后分成等功率的两路，其中一路依次接上第一光纤衰减器和光纤相位调制器后输入三芯光纤扇入扇出器的第一通道，另一路接上第二光纤衰减器后输入三芯光纤扇入扇出器的第二通道；(5)十通道动力光源的第十通道和三芯光纤扇入扇出器的第三通道连接；(6)三芯光纤和九芯光纤扇入扇出器的中间芯通道连接，三芯光纤扇入扇出的第一通道和第二通道分别对应激发九芯光纤中间三模纤芯的两个LP₁₁模式，通过对第一、第二光纤衰减器以及光纤相位调制器的调节，能组合生成三模纤芯内的一阶涡旋光，三芯光纤扇入扇出器的第三通道可激发九芯光纤中间三模纤芯的LP₀₁模式。

2.根据权利要求1所述的一种灵活的光学微手系统，其特征是：所述的九芯光纤的纤芯外有掺氟的低折射率隔离层。

3.根据权利要求1所述的一种灵活的光学微手系统，其特征是：所述的三芯光纤包括最外层的氟掺杂低折射率包层、纯石英包层和三个三角分布的模场有效折射率不同的单模纤芯。

4.根据权利要求1所述的一种灵活的光学微手系统，其特征是：所述的九芯光纤扇入扇出器是通过将八根双包层光纤和三芯光纤插入掺氟的九孔套管后，绝热拉锥、切割，并与九芯光纤熔接而成；八根双包层光纤在拉锥后对应连接九芯光纤的周边纤芯，三芯光纤在拉锥后对应连接九芯光纤的中间芯，形成九芯光纤中间芯的模分复用器。

5.根据权利要求1所述的一种灵活的光学微手系统，其特征是：所述九芯光纤纤端锥体圆台的斜面上可镀有一层反射金属膜。

6.根据权利要求1所述的一种灵活的光学微手系统，其特征是：所述的九芯光纤纤端具有光纤布拉格光栅，系统内有配套的光纤光栅解调仪，用于纤端的温度感测。

7.根据权利要求1所述的一种灵活的光学微手系统，其特征是：所述光学微手系统的粒子姿态调整操控方法为：

1)对所述九芯光纤的九个纤芯进行编号，记为C_ij，其中i和j分别为行号和列号，按照功能分类，九个纤芯可分为2组，包括捕获纤芯组和旋转纤芯组；

2)其中捕获纤芯组包括C₁₁、C₁₃、C₃₁和C₃₃纤芯，该组纤芯内的动力光束经过纤端锥体圆台的反射后，在纤端前聚焦，形成三维光镊，能稳定捕获微粒；

3)旋转纤芯组可分为xoy、yoz和xoz面内的旋转，其中纤芯C₂₁和C₂₃内传输的动力光束经过纤端锥体圆台反射后可作用于捕获的微粒上，通过控制两个纤芯内的动力光束的功率可操控微粒在xoz面的顺时针和逆时针旋转；纤芯C₁₂和C₃₂内传输的动力光束经过纤端锥体圆台反射后可作用于捕获的微粒上，通过控制两个纤芯内的动力光束的功率可操控微粒在yoz面的顺时针和逆时针旋转；纤芯C₂₂为少模纤芯，可通过输入可三芯光纤扇入扇出器的第一、第二通道来控制C₂₂芯涡旋光的左旋、右旋方向和强度，涡旋光作用于被捕获微粒上，使捕获微粒在xoy面内顺时针或逆时针旋转；

4)以上步骤可实现微粒的三维捕获和三维旋转操作，即可在显微镜下实现微粒的任意姿态调整。

8.根据权利要求1所述的一种灵活的光学微手系统，其特征是：所述光学微手系统的粒子姿态定向扔出的操控方法为：

1)对所述九芯光纤的九个纤芯进行编号，记为C_ij，其中i和j分别为行号和列号；

2)其中C₁₁、C₁₃、C₃₁和C₃₃纤芯内的动力光束经过纤端锥体圆台的反射后，在纤端前聚焦，形成三维光镊，能稳定捕获微粒；

3)纤芯C₂₂为少模纤芯，可通过输入可三芯光纤扇入扇出器的第一、第二通道来控制C₂₂芯涡旋光的左旋、右旋方向和强度，涡旋光作用于被捕获微粒上，使捕获微粒在xoy面内定位、定轴旋转；

4)在通过三芯光纤扇入扇出器的第一、第二通道来控制微粒定轴旋转的同时，可向三芯光纤扇入扇出器的第三通道内注入动力光束，将捕获的粒子旋转射出，实现定向扔出功能。