CN115657213A - 一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针，包括：悬挂芯探针光纤，所述悬挂芯探针光纤的一端连接光纤光源，另一端形成一个尖端结构；所述悬挂芯探针光纤内具有一个微通道，并且在所述悬挂芯探针光纤内至少包括一根光纤芯；所述尖端结构具有一个平端面，所述微通道和所述光纤芯延伸至所述平端面，当所述光纤光源发出的出射光经所述悬挂芯探针光纤，在所述尖端结构的平端面汇聚形成光学势阱。本发明悬挂芯探针光纤保留了微通道，利用悬挂芯探针光纤的光纤芯与微通道集成的特点同时实现对微粒的捕获与输运两种功能。
Description
技术领域
本发明涉及光纤检测技术领域，特别是涉及一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针及其制备方法。
背景技术
1986年，Ashkin开创性地利用一束高度聚焦的光束在水溶液中实现了对微粒的三维稳定捕获，提出了光镊这一概念。由于可以三维控制微小物体，光镊技术在粒子筛选、显微加工、微流控制等领域应用广泛，对活体物质也能实现的无损伤操纵更是使光镊在生命科学领域拥有天然的巨大优势。随着研究的逐渐深入，光镊技术由最初的传统单光束光镊逐渐发展到拥有多光束光镊、扫描全息光镊、近场光镊、光纤光镊、特殊光束光镊等，促进了若干交叉领域的快速发展。
光镊是利用光场强度分布形成的梯度力和光散射力相互作用将微粒稳定捕获在光场最强处，实现对微粒的精密操控的一种技术。随着光镊技术与光纤研究的发展，研究人员逐渐发现，传统光镊是利用高数值孔径的物镜对线偏振高斯激光束进行聚焦来形成光阱，虽然形成的光阱捕获能力强，但是传统光镊十分依赖系统中由多透镜构成的光路，这些光路结构复杂，体积巨大，且难以集成化，限制了传统光镊进一步向小型化与一体化发展。
光纤光镊由光纤代替传统光镊中构成光路的透镜，利用光纤探针形成光阱，实现对目标微粒的操纵，极大简化了光镊操作系统，可以实现光镊的小型化、低成本化与集成化，但是未经处理的光纤探针尖端输出光束形成的发散角通常较小，不足以产生足够捕获目标微粒的光阱力，
因此，通过处理光纤尖端(如研磨抛光、熔融拉锥和化学腐蚀等方法)使其具有足够大的发散角来形成聚焦光场是实现光纤光镊技术的重点。其中，熔融拉锥法制作光纤探针的方法成本低，可以做成多种样式的光纤类型，稳定性也较高，例如，2006年，哈尔滨工程大学的刘志海利用熔融拉锥技术将单模光纤制成平端面型光纤探针，首次实现了单光纤实现纯光型三维势阱。
随着生物医学的飞速发展，对单一细胞的或分子的研究不再仅仅局限于对其进行的捕获、旋转以及轴向移动等单一操控，粒子/稀有活细胞的无菌输运对医学测试和细胞分析具有重要意义。如何同时完成目标微粒的捕获与无菌输运，不会对目标微粒产生损伤并适配微流体平台是现存难题。
发明内容
为了解决现有技术中光纤光镊对微粒操纵、控制单一的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针，所述光纤光镊探针包括：
悬挂芯探针光纤，所述悬挂芯探针光纤的一端连接光纤光源，另一端形成一个尖端结构；所述悬挂芯探针光纤内具有一个微通道，并且在所述悬挂芯探针光纤内至少包括一根光纤芯；
所述尖端结构具有一个平端面，所述微通道和所述光纤芯延伸至所述平端面，
当所述光纤光源发出的出射光经所述悬挂芯探针光纤，在所述尖端结构的平端面汇聚形成光学势阱。
优选地，所述悬挂芯探针光纤采用具有两根光纤芯、一个微通道的单孔双芯偏芯悬挂芯光纤制备。
优选地，所述悬挂芯探针光纤采用单孔双芯悬挂芯光纤制备。
优选地，所述悬挂芯探针光纤采用具有两根纤芯、两个微通道的双芯双孔光纤制备。
优选地，所述光纤光源为输出波长为980nm的光纤光源；
所述光纤光源通过波长为980nm的单模光纤与所述悬挂芯探针光纤连接，其中，所述单模光纤与所述悬挂芯探针光纤焊接.
本发明的另一个目的在于提供一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
选取一段悬挂芯光纤，将所述悬挂芯光纤的一段涂覆层剥除，对剥除的部位清洗得到裸光纤；
将所述裸光纤置于加热装置的V型槽内，通过第一马达和第二马达固定所述裸光纤；
加热装置对所述裸光纤的中部加热软化，同时向所述裸光纤的微通道内通气压，
第一马达和第二马达向相反方向移动拉拔所述裸光纤，直至所述裸光纤变细、断裂，形成悬挂芯探针光纤；
所述悬挂芯探针光纤被拉拔变细的一端形成一个尖端结构，所述悬挂芯探针光纤的另一端与光纤光源连接。
优选地，采用无尘纸与无水乙醇溶液对所述悬挂芯光纤剥除的部位清洗。
优选地，采用氢氧火加热装置、电火弧加热装置、电热陶瓷加热装置、石墨加热装置或者大功率激光加热装置的一种，对所述裸光纤的中部加热软化。
优选地，所述光纤光源为输出波长为980nm的光纤光源；
所述光纤光源通过波长为980nm的单模光纤与所述悬挂芯探针光纤连接，其中，所述单模光纤与所述悬挂芯探针光纤焊接。
本发明提供的一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针及其制备方法，悬挂芯探针光纤保留了微通道，利用悬挂芯探针光纤的光纤芯与微通道集成的特点同时实现对微粒的捕获与输运两种功能。本发明的制备方法通过对悬挂芯光纤熔融拉锥，即可保留悬挂芯探针光纤的微通道，这种探针结构制作方法简单，实现悬挂芯探针光纤的微粒捕获与输运一体化集成，应用在光纤光镊技术中可以同时完成对于微粒的捕获与无菌输运，提高了光纤光镊技术的一体化可集成度，可适配微流体平台，极其适合在微流控技术以及生物医学领域推广。
本发明提供的一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针及其制备方法，基于悬挂芯光纤的光纤光镊系统与普通光纤光镊相比集成率更高，悬挂芯探针光纤内微通道可以额外完成微粒的无菌输运。
本发明提供的一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针及其制备方法，经过制备处理后得到悬挂芯探针光纤一端形成的尖端结构，可以将光源的出射光在尖端结构的平端面会聚形成具有足够强捕获力的光阱。在悬挂芯探针光纤制备过程中向微通道中通气压，防止悬挂芯光纤内的微通道塌陷堵塞，保证制备的悬挂芯探针光纤的微通道的通畅性。
本发明提供的一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针及其制备方法，制作简单，成本低廉，一体化可集成，可用于基于悬挂芯光纤的光纤光镊系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性示出了本发明一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针的结构示意图。
图2示出了不同种类的悬挂芯光纤的示意图。
图3示出了本发明一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针的制备方法的制备过程示意图。
图4示出了本发明一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针在平端面汇聚形成光场的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
为了解决现有技术中光纤光镊对微粒操纵、控制单一的技术问题，如图1所示本发明一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针的结构示意图，根据本发明的实施例，提供一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针，包括：悬挂芯探针光纤1，悬挂芯探针光纤1的一端连接光纤光源2，另一端形成一个尖端结构101。
悬挂芯探针光纤1内具有一个微通道108，并且在悬挂芯探针光纤1内至少包括一根光纤芯。尖端结构101具有一个平端面102，微通道108和光纤芯延伸至平端面102。
当光纤光源2发出的出射光经悬挂芯探针光纤1，在尖端结构101的平端面102汇聚形成光学势阱，捕获微粒并将微粒通过平端面102连接微通道108的孔口103吸入到微通道108内，实现对微粒的捕获和无菌运输。
本发明的实施例中，悬挂芯探针光纤1采用悬挂芯光纤制备，悬挂芯光纤是光纤公共包层中含有一根或多根独立光纤芯和一个或多个微通道的特种光纤，如图2示出了不同种类的悬挂芯光纤的示意图，其中(a)为具有两根光纤芯、一个微通道的单孔双芯偏芯悬挂芯光纤，(b)为单孔双芯悬挂芯光纤，(c)为具有两根光纤芯、两个微通道的双芯双孔光纤，(d)为具有环形分布纤芯和一个微通道的空芯布拉格环形芯光纤。
本发明的实施例中，悬挂芯探针光纤1采用具有两根光纤芯、一个微通道的单孔双芯偏芯悬挂芯光纤制备。在一些优选的实施例中，悬挂芯探针光纤1采用单孔双芯悬挂芯光纤制备。在一些优选的实施例中，悬挂芯探针光纤1采用具有两根纤芯、两个微通道的双芯双孔光纤制备。在一些优选的实施例中，悬挂芯探针光纤1采用具有环形分布纤芯和一个微通道的空芯布拉格环形芯光纤制备。
根据本发明的实施例，光纤光源2应具有合适的输出波长，以确保在悬挂芯光纤1的平端面型光纤尖前方汇聚形成光阱，且不会对细胞/微粒造成光热损害。
在一个优选的实施例中，光纤光源2输出波长为980nm的光纤光源。光纤光源2通过波长为980nm的单模光纤与悬挂芯探针光纤1连接，其中，单模光纤与悬挂芯探针光纤焊接。
在一些实施例中，本发明悬挂芯探针光纤1可以是在尖端结101构形成自透镜的自透镜型光纤探针，尖端结101也可以是具有抛物线形状的抛物线型光纤，尖端结101也可以是通过整形光纤尖端轮廓形成圆锥结构或截头锥结构，尖端结101也可以是在光纤端面进行处理后形成一定角度的斜劈结构。
如图3所示本发明一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针的制备方法的制备过程示意图，根据本发明的实施例，一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针的制备方法，包括如下步骤：
选取一段悬挂芯光纤，将悬挂芯光纤的一段涂覆层104剥除，对剥除的部位清洗得到裸光纤105。
本实施例中，选取一段带有涂覆层104的具有两根光纤芯、一个微通道的单孔双芯偏芯悬挂芯光纤，光纤长度在1米以上。其中第一光纤芯106距离微通道108较远，第二光纤芯107距离微通道108较近。
选取一合适位置(例如距悬挂芯光纤一端约20厘米处)，剥除一段悬挂芯光纤涂覆层104(例如10～20毫米)，采用无尘纸与无水乙醇溶液对悬挂芯光纤剥除的部位清洗，清洗杂质后得到裸光纤105备用。
将裸光纤105置于加热装置的V型槽内，通过第一马达300和第二马达400固定裸光纤105。加热装置选用大功率激光加热装置，设置好参数，裸光纤105位移V型槽中间。
加热装置对裸光纤105的中部加热软化，同时向裸光纤105的微通道108内通气压。第一马达300和第二马达400向相反方向移动拉拔裸光纤105，直至裸光纤105变细、断裂，形成悬挂芯探针光纤1。
悬挂芯探针光纤1被拉拔变细的一端形成一个尖端结构101，断裂面形成平端面102，悬挂芯探针光纤1的另一端与光纤光源2连接。
在一些实施例中，采用氢氧火加热装置、电火弧加热装置、电热陶瓷加热装置、石墨加热装置的一种，对裸光纤105的中部加热软化。
本发明的实施例中，熔拉过程中微通道108一直存在气压，拉制得到悬挂芯探针光纤1的微通道口得以保存。
在另一些实施例中，悬挂芯探针光纤1除了采用上文实施例中的熔融拉锥法制备，还可以采用研磨抛光法、通过化学试剂腐蚀光纤材料的化学腐蚀法，以及使用飞秒激光对光纤端面进行切割、打孔、雕刻等操作的飞秒激光加工法。
对于研磨抛光法，可以是研磨抛光装置，包括但不限于研磨纸、研磨盘以及完备的研磨系统。对于化学腐蚀法，可以是化学加工装置，或通过各类化学试剂腐蚀出各类探针结构的装置。
应当理解，无论采用何种加工方法，都应当保证制备的悬挂芯探针光纤1具有畅通的微通道108。
根据本发明的实施例，光纤光源2应具有合适的输出波长，以确保在悬挂芯光纤1的平端面型光纤尖前方汇聚形成光阱，且不会对细胞/微粒造成光热损害。
在一个优选的实施例中，光纤光源2输出波长为980nm的光纤光源。光纤光源2通过波长为980nm的单模光纤与悬挂芯探针光纤1连接，其中，单模光纤与悬挂芯探针光纤对准焊接。
本发明制备的一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针，光纤光源2发出的出射光经悬挂芯探针光纤1传输至尖端结构101，在平端面102汇聚形成的光场，如图4所示基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针在平端面汇聚形成光场的示意图。本发明该一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针出射光场的光场梯度分布可以通过调整悬挂芯探针光纤1形状参数尺寸实现，梯度光场力的大小可以通过调整输入光功率的大小进行控制。
通过悬挂芯探针光纤1传输至尖端结构101，在平端面102汇聚形成光学势阱捕获微粒，通过对悬挂芯探针光纤1的微通道108连接微型机械泵，对捕获的微粒通过孔口103吸入到微通道108内运输。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针，其特征在于，所述光纤光镊探针包括：
悬挂芯探针光纤，所述悬挂芯探针光纤的一端连接光纤光源，另一端形成一个尖端结构；所述悬挂芯探针光纤内具有一个微通道，并且在所述悬挂芯探针光纤内至少包括一根光纤芯；
所述尖端结构具有一个平端面，所述微通道和所述光纤芯延伸至所述平端面，
当所述光纤光源发出的出射光经所述悬挂芯探针光纤，在所述尖端结构的平端面汇聚形成光学势阱。
2.根据权利要求1所述的光纤光镊探针，其特征在于，所述悬挂芯探针光纤采用具有两根光纤芯、一个微通道的单孔双芯偏芯悬挂芯光纤制备。
3.根据权利要求1所述的光纤光镊探针，其特征在于，所述悬挂芯探针光纤采用单孔双芯悬挂芯光纤制备。
4.根据权利要求1所述的光纤光镊探针，其特征在于，所述悬挂芯探针光纤采用具有两根纤芯、两个微通道的双芯双孔光纤制备。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述光纤光源为输出波长为980nm的光纤光源；
所述光纤光源通过波长为980nm的单模光纤与所述悬挂芯探针光纤连接，其中，所述单模光纤与所述悬挂芯探针光纤焊接。
6.一种基于悬挂芯光纤的光纤光镊探针的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
选取一段悬挂芯光纤，将所述悬挂芯光纤的一段涂覆层剥除，对剥除的部位清洗得到裸光纤；
将所述裸光纤置于加热装置的V型槽内，通过第一马达和第二马达固定所述裸光纤；
加热装置对所述裸光纤的中部加热软化，同时向所述裸光纤的微通道内通气压，
第一马达和第二马达向相反方向移动拉拔所述裸光纤，直至所述裸光纤变细、断裂，形成悬挂芯探针光纤；
所述悬挂芯探针光纤被拉拔变细的一端形成一个尖端结构，所述悬挂芯探针光纤的另一端与光纤光源连接。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，采用无尘纸与无水乙醇溶液对所述悬挂芯光纤剥除的部位清洗。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，采用氢氧火加热装置、电火弧加热装置、电热陶瓷加热装置、石墨加热装置或者大功率激光加热装置的一种，对所述裸光纤的中部加热软化。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述光纤光源为输出波长为980nm的光纤光源；
所述光纤光源通过波长为980nm的单模光纤与所述悬挂芯探针光纤连接，其中，所述单模光纤与所述悬挂芯探针光纤焊接。
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