CN1963583A

CN1963583A - 抛物线形微结构单光纤光镊的熔拉制作方法

Info

Publication number: CN1963583A
Application number: CN 200610151087
Authority: CN
Inventors: 刘志海; 苑立波; 杨军
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2026-12-01
Also published as: CN100447603C

Abstract

本发明提供了一种可以用于对微小物体进行三维捕获和操纵的具有抛物线形微结构的单光纤光镊的熔拉制作方法。它是将一段光纤的一端熔拉加工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会聚光场，从而形成稳定的三维光势阱的方法实现单光纤光镊。本发明利用熔拉技术加工光纤光镊，设备简单，对加工条件无特殊要求，无需外部光学系统，成本低廉，且与光源耦合方便，单光纤光镊形成的光阱操纵灵活，被捕获的样品可以自由移动，光镊微操纵系统简单适用，而且单光纤光镊可以深入到样品室任何位置，大大提高了应用范围。

Description

抛物线形微结构单光纤光镊的熔拉制作方法

(一)技术领域

本发明涉及光纤技术领域，特别涉及一种抛物线形微结构单光纤光镊及其熔拉制作方法。

(二)背景技术

1986年Askin(Opt.Lett.11，288-290，1986)把单束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱，实现了对微小粒子的三维空间控制。用一束强聚焦的激光实现了在x-y平面和沿z轴方向上同时形成梯度力势阱，从而稳定的俘获粒子。由于该光阱仅仅使用一束激光形成，所以称这种光阱为单光束梯度力光阱，也就是人们通常所说的光镊。

目前，人们可用光镊对细胞、细胞器及染色体进行捕获、分选、操纵、弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、测定马达蛋白作用力、及对膜体系进行定量研究。此外，光镊技术还可应用于微小颗粒的捕获、排列和显微制造等领域。

常规光镊仪器都是将从激光器发出的激光束，经扩束器和光强调节器后进入生物显微镜系统，被双向色分束器和高倍显微物镜会聚后形成光焦点光阱，由于梯度场光阱的作用将样品中的微粒捕获于焦点附近。

基于显微镜的常规光镊仪器体积庞大，样品移动自由度小。由于其具有几何尺寸大和工作距离短的特性，因而限制了普通光镊的应用，使其很难操纵位于狭窄位置(如：深孔中)的微粒，也不易实现多光镊操纵。这些固有的缺点限制了其作为生物粒子微操纵工具的应用。新发展的光纤光镊技术较好地解决了这些问题。利用两根纤芯相对的单锥形透镜单模光纤光镊能够捕获微米量级的聚苯乙烯球。但利用双光纤构成的光镊要求光纤出射的光束在空间上对准、移动时两根光纤必须同时动作，操作上仍存在诸多不便。容易想象，如果能够利用单根光纤构成光镊，则操作会更为简单，系统成本也会大大降低。但一个单锥形透镜光纤对粒子捕获作用不足以抵消粒子的重力，不能实现粒子的三维捕获。

2003年加拿大的R.S.Taylor(Opt.Exp.11，2775-2782，2003)等人利用腐蚀和镀膜的方法，制作了一种中空的金属化光纤探针尖，巧妙的利用针尖的静电引力与光的散射力达到平衡，捕获和操纵了浸没在水中的玻璃微粒，实现了粒子的三维捕获。但这种方法加工过程中需要进行多次腐蚀，步骤复杂，加工时间长，而且加工过程需要使用氢氟酸等有毒物质，所以对加工环境要求高。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可以用于对微小物体进行三维捕获和操纵的具有抛物线形微结构的单光纤光镊的熔拉制作方法。

本发明的目的是这样实现的：

1.1、取一段光纤1剥除光纤的涂覆层，将光纤包层清洗干净，固定在槽2内；

1.2、利用氢氧焰2对处于水平状态的光纤1进行加热并施以轴向拉力，使光纤局部软化部分逐渐被拉细，当光纤最细部分达到25-35μm时停止加热，同时停止槽3的拉伸；

1.3、调节光纤位置，对拉细部分再次加热，并快速拉伸光纤1；

1.4、光纤1被拉断时，由于表面张力的作用自然形成一对具有抛物线形状的微光纤针4；

1.5、将激光耦合进光纤1，当激光从光纤针4出射后在光纤针前端就能够形成稳定的三维的光势阱，从而实现单光纤光镊。

本发明还有这样一些技术特征：

1、所述的在光纤1中间利用光纤剥线钳剥除光纤的涂覆层25-35mm，用酒精和乙醚混合液将光纤包层清洗干净；

2、所述的槽2为可移动的V型槽，槽3为V型槽；

3、所述的光纤针4为微米量级的抛物线形状光纤端结构；

4、所述的光纤1具有单根抛物线形微结构；

5、所述的光纤1为单模光纤；

6、所述的光纤1为多模光纤。

本发明首先利用氢氧焰对处于水平状态的光纤进行加热并施以轴向拉力，使光纤局部软化部分逐渐被拉细，达到一定尺寸后，停止加热和拉伸。调节光纤位置，使中间拉细部分刚好处于氢氧焰边缘，对中间拉细部分再次加热，并快速拉伸光纤，光纤被拉断时，由于表面张力的作用自然形成一对具有抛物线形状的微光纤针。

本发明的基本原理是处于光场中的粒子受到两种基本的光压力——沿入射光束方向的散射力和沿光强梯度方向的梯度力。当光场形成的梯度力大于其散射力和吸收产生的力时，对微粒起主导作用的梯度力将微粒捕获在光束焦点附近，形成由光学梯度场产生的光阱。

对于确定的粒子，光场的束腰是光场能否形成势阱的一个重要因素，基于射线模型的光镊理论能够利用解析的方法精确描述光场束腰的影响，当高斯光束束腰较大时则不能形成光势阱。归纳起来，必须有很小的束腰以及比较大的光束发散角，才能产生足够强的梯度力，将粒子稳定的束缚在光势阱中。

附图中图4-5为抛物线结构的单光纤光镊的出射光场分布，采用BPM(光束传播法)进行仿真计算，取入射光波长0.98μm，周围介质为水，折射率1.33，光纤针折射率1.46。

从图4-5中可以看出，激光从抛物线结构的单光纤光镊出射后，在光纤针尖端处形成一个束腰极小的光场，该光场沿光传播方向迅速衰减，同时在垂直于光传播的方向上也表现出迅速衰减的梯度分布特性。如图6所示，从这种具有很小的光束半径和大梯度分布特性的光场对置于其中的微小物体5产生一定的梯度力，该梯度力指向光最强处，并且足以抵消光散射力和物体的重力，能够将微小物体捕获并约束于光纤针前端附近。

本发明具有如下特点：

(1)本发明利用熔拉技术加工光纤光镊，设备简单，对加工条件无特殊要求；

(2)对制作单光纤光镊的光纤无特殊要求，可以为单模光纤、多模光纤之一种；

(3)本发明利用单光纤针构成光镊，结构简单，无需外部光学系统；

(4)本发明制作的单光纤光镊采用标准光纤制作，成本低廉，且与光源耦合方便，对光源的传播模式无特殊要求；

(5)本发明制作的单光纤光镊形成的光阱操纵灵活，被捕获的样品可以自由移动，光镊微操纵系统简单适用；

(6)本发明制作的单光纤光镊可以深入到样品室任何位置，大大提高了应用范围。

本发明利用上述的方法，将一段光纤的一端熔拉加工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。本发明可以用于对微小物体进行三维捕获和操纵，其中，实现对介质微球的三维捕获和操纵是当光纤针移动时，所捕获的粒子也随之移动，当多个光纤针作用于微粒时，微粒能够随光纤针位置、光强、通光时间、移动方向的不同，实现旋转、拉伸、交接等操纵方式。

(四)附图说明

图1为通过氢氧焰加热熔拉光纤示意图；

图2为光纤形成抛物线结构示意图；

图3为图2光纤形成抛物线时光纤针的局部放大示意图；

图4-5为单光纤光镊的出射光场分布图；

图6是单光纤光镊示意图；

图7为利用单光纤光镊构成光镊系统示意图；

图8为利用单光纤光镊实现微小物体的移动示意图。

(五)具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明：

实施例1：抛物线形微结构单光纤光镊的制作。

结合图1-3，具体制作步骤为：

1.取一段光纤，在其中间利用光纤剥线钳剥除光纤的涂覆层30mm，用酒精和乙醚混合液将光纤包层清洗干净；

2.将光纤固定在可移动的V型槽内，利用电极通过放电对处于水平状态的光纤进行加热，放电电流选为20mA，加热的同时控制V型槽以25μm/s的速度拉伸光纤，使光纤局部软化部分逐渐被拉细，当光纤最细部分达到30μm后，停止电极放电；

3.通过氢氧焰对中间拉细部分再次加热，并以2cm/s的速度快速拉伸光纤，光纤被拉断时，由于表面张力的作用自然形成一对具有抛物线形状的微光纤针；

4.将激光耦合进光纤，当激光从光纤针出射后在光纤针前端就能够形成稳定的三维光势阱，从而实现抛物线形微结构单光纤光镊。

结合图4-5，单光纤光镊的出射光场分布采用BPM(光束传播法)进行仿真计算，取入射光波长0.98μm，周围介质为水，折射率1.33，光纤针折射率1.46，图4中2ω₀≈1μm。图6中束腰即为ω₀。

实施例2：抛物线形微结构单光纤光镊的制作。

结合图1-3，具体制作步骤为：

1.取一段光纤，在其中间利用光纤剥线钳剥除光纤的涂覆层35mm，用酒精和乙醚混合液将光纤包层清洗干净；

2.将光纤固定在可移动的V型槽内，利用电极通过放电对处于水平状态的光纤进行加热，放电电流选为20mA，加热的同时控制V型槽以25μm/s的速度拉伸光纤，使光纤局部软化部分逐渐被拉细，当光纤最细部分达到25μm后，停止电极放电；

实施例3：利用抛物线形微结构单光纤光镊实现微小物体的搬运。

结合图7，光源6使用波长λ＝980nm的激光器。光源6发出的光经过一个分光比为95∶5的光纤耦合器7后分为两束，其中一束用作功率检测8，另一束通过光纤1传输到抛物线形微结构单光纤光镊4。抛物线形微结构单光纤光镊4用钢管保护后，安装在一个可三维平动、一维转动的机械调节架9上，通过该机械调节架能够调节光纤在样品池10内的插入位置、插入深度和插入角度。样品池10置于一个倒置生物显微镜的载物台11上，图像经过一个红外滤光片12后由显微镜物镜13成像于CCD14上进行采集。

用显微镜的载物台11将样品5移入视野中，然后将调节好插入角度的单光纤光镊4移入视场，并使之与待捕获样品处于同一平面，将单光纤光镊移近样品5并调节光功率即可实现捕获。捕获成功后样品将不再随显微镜载物台11移动。如图8所示，在初始位置I，样品5被单光纤光镊4捕获，当单光纤光镊4移动时，样品5也随之离开样品池10底部依次移动至位置II、III，当到达目标位置IV时，减小光源6的光功率，样品5被释放。

Claims

1.一种抛物线形微结构单光纤光镊的熔拉制作方法，其特征在于：

1.1、取一段光纤(1)剥除光纤的涂覆层，将光纤包层清洗干净，固定在槽(2)内；

1.2、利用氢氧焰(2)对处于水平状态的光纤(1)进行加热并施以轴向拉力，使光纤局部软化部分逐渐被拉细，当光纤最细部分达到25-35μm时停止加热，同时停止槽(3)的拉伸；

1.3、调节光纤位置，对拉细部分再次加热，并快速拉伸光纤(1)；

1.4、光纤(1)被拉断时，由于表面张力的作用自然形成一对具有抛物线形状的微光纤针(4)；

1.5、将激光耦合进光纤(1)，当激光从光纤针(4)出射后在光纤针前端就能够形成稳定的三维的光势阱，从而实现单光纤光镊。

2.根据权利要求1所述的抛物线形微结构单光纤光镊的熔拉制作方法，其特征在于所述的预处理为在光纤(1)中间利用光纤剥线钳剥除光纤的涂覆层25-35mm，用酒精和乙醚混合液将光纤包层清洗干净。

3.根据权利要求1所述的抛物线形微结构单光纤光镊的熔拉制作方法，其特征在于所述的槽

(2)为可移动的V型槽，槽(3)为V型槽。

4.根据权利要求1所述的抛物线形微结构单光纤光镊的熔拉制作方法，其特征在于所述的光纤针(4)为有微米量级的抛物线形状光纤端结构。

5.根据权利要求1所述的抛物线形微结构单光纤光镊的熔拉制作方法，其特征在于所述的光纤(1)为单根抛物线形微结构。

6.根据权利要求1所述的抛物线形微结构单光纤光镊的熔拉制作方法，其特征在于所述的光纤(1)为单模光纤。

7.根据权利要求1所述的抛物线形微结构单光纤光镊的熔拉制作方法，其特征在于所述的光纤(1)为多模光纤。