CN213935671U - 基于毛细管光纤的微纳粒子操纵器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是基于毛细管光纤的微纳粒子操纵器。其特征是：它由波长可调激光器(1)、单芯光纤(2)、无芯光纤(3)以及毛细管光纤(4)组成。本发明设计了独特的结构，将单芯光纤、无芯光纤和毛细管光纤依次熔融焊接后连为一体，利用无芯光纤对光束的发散作用以及毛细管光纤热熔塌陷形成的锥形过渡区实现了对光束的分割。由于光束的发散，在管状包层中传输的空心光束经反射和折射后会在空气孔内或者纤端附近形成多个强汇聚点，从而捕获多个微纳粒子。又利用波长改变时多个汇聚点的位置会进行轴向移动的特点，最终实现对多个微纳粒子的储存、振荡和和输运的功能。本发明可以用于生物细胞、纳米团簇、介质颗粒等的筛选、捕获和定向弹射等等。

Description

基于毛细管光纤的微纳粒子操纵器

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于单光纤集成式的微纳粒子操纵器件。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的筛选、捕获、检测、振荡和弹射等等，属于光纤技术领域。

(二)背景技术

传统光镊通常是基于光学显微镜系统构建的，它通过显微物镜将激光束聚焦，利用聚焦中心附近的梯度力场形成光阱，对微小粒子进行捕获和操纵。传统光镊技术成熟，但其结构复杂且缺乏柔性，体积庞大，价格昂贵，并且光阱移动系统复杂，操作技能要求高。为此，提出了光波导光镊技术方案，借助于在同一块材料基体上的多个波导通道来实现微小粒子的捕获[中国发明专利CN174083 1A]，鉴于该光波导光镊端具有体积较大，制备难度大的不足，人们进一步发展了光纤光镊技术[Optics Letters,1993,18(21):1867-9，andOptics Express,2006,1 4(25):12510-6]。光纤光镊结构简单，可以制成微型探针形式，光阱及其操纵与光学显微系统分离，因此光阱操纵灵活，系统自由度大。

光纤连接技术是光纤应用领域最基本的一项专门技术。光纤的连接是指把两根光纤端面结合在一起。对连接的基本要求是使光能量最大限度的从输入光纤中耦合过渡到接收光纤中。对光纤连接技术除了要求连接损耗小，回波损耗大外，还要求环境温度变化时性能保持稳定，并有足够的机械强度。因此需要精密的机械和光学设计和加工装配，以保证两个光纤端达到高精度匹配。

利用光纤对粒子实现三维捕获操作，其光纤尖端需要经过特殊的加工，具体的加工方法有熔融拉锥法[Optics Express,14(25):12510-12516,2006]和特制研磨机研磨法。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。

公开号为CN1963583A的发明专利将一段光纤的一端熔融拉制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；公开号为CN101118300的中国发明专利给出了一种小芯径超高数值孔径锥体光纤光镊及其制作方法。它是采用小芯径超高数值孔径光纤加工而成的，其光纤端被研磨成锥体形状。由于该光纤尖端的大数值孔径而形成的发散光场可形成较大的光场梯度力势阱，因而可以克服粒子的自重，实现对微小粒子的单光纤三维俘获；为了进一步对所捕获的微小粒子的姿态进行控制，公开号为CN101149449的中国发明专利文件中又给出了一种双芯光纤光镊；公开号为 CN101339274A的发明专利给出了一种环形芯层的中空毛细管光纤光镊，空气孔中连接气压调整装置，可以实现对微小粒子的储存与操纵。

为了拓展光纤器件的结构和功能，本发明对光纤结构进行了独特的设计，利用无芯光纤对光束的发散作用以及毛细管光纤热熔塌陷形成的锥形过渡区实现了对光束的分割，在毛细管光纤的管状包层中传输的空心光束经反射和折射后会在空气孔内或者纤端附近形成在光轴上具有多个汇聚点的强汇聚光束，从而同时捕获多个微纳粒子。又利用波长调控多个捕获点的位置，最终实现对微纳粒子的储存、振荡和弹射功能。本发明的设计不仅使光纤光镊器件更加微型化和集成化，而且对制作毛细管光纤光镊器件，进而捕获和操纵微纳粒子提供了一种全新的思路。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种利用无芯光纤和毛细管光纤熔融后的锥形过渡区实现对光束的分割，并对多个微纳粒子实施稳定光捕获和光操纵的单光纤集成器件。

本发明的目的是这样实现的：

该微纳粒子操纵装置是由波长可调激光器、单芯光纤、无芯光纤以及毛细管光纤组成。波长可调激光器由数据输入端和不同波长输出端组成，单芯光纤由纤芯以及包层组成，无芯光纤由包层组成，毛细管光纤由空气孔和管状包层组成。将单芯光纤、无芯光纤、毛细管光纤依次熔融焊接后连为一体，在无芯光纤与毛细管光纤的焊点处由于空气孔热熔塌陷形成锥形过渡区。所述器件中当单芯光纤纤芯中的传导光波经过无芯光纤的发散以及锥形过渡区的分割形成空心光束，可以通过精确控制无芯光纤的长度使两部分光束能够充分地分割并且向纤端传播。然后在毛细管光纤的管状包层中传输的空心光束经反射和折射后会在空气孔内或者纤端附近形成在光轴上具有多个汇聚点的强汇聚光束，实现在多个光阱位置同时对多个微纳粒子的三维光捕获。当利用波长可调激光器对通入单芯光纤中光波的波长进行周期性调控时，在毛细管光纤中强汇聚光束形成的多个汇聚点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多个微纳粒子的储存或者周期性振荡的功能。

采用特殊结构的微纳粒子，例如介质材料、生物材料或其他透明材料中的一种。可选的，微纳粒子材质也可以是透明材料和非透明材料混合或层叠材料。该种结构的粒子对于光波长变化时会产生响应，即存在法诺共振或表面等离子体共振的现象。法诺共振(Fanoresonance)是一种会产生非对称线形的散射共振现象，背景和共振散射之间的干涉产生一种非对称的线形。背景和共振散射之间的干涉产生一种非对称的线形。法诺共振的线形来自于两个散射振幅的干涉，一个是连续态的散射(与背景相关)，另一个则是离散态的激发(与共振相关)。共振态的能量必须处于连续态的能量范围，此效应才会产生。在共振能量附近，背景散射的振幅随着能量的变化通常很和缓；但共振散射的振幅的幅度及相位，变化都相当的快，从而导致了非对称的发生。在能量离共振能量很远时，背景散射占主要地位。能量在共振能量左右2Γ_res的范围时，共振散射的振幅相位会差π。就是这个相位的剧烈变化造成了非对称的线形。法诺证明散射的总截面σ,约为下述形式：

其中Γ_res为共振能量的峰宽，q则为法诺变量，代表着共振散射及直接(背景)散射之间的振幅比例。

表面等离子体共振，英文简称SPR。是指消逝波和等离子波在介质交界面相遇时会发生共振，发生共振时，反射光强会大幅度地减弱。能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使反射光的能量急剧减少。

Fano共振或表面等离子体共振现象，即微纳粒子所受合力的方向在轴向产生不同寻常的正向和反向的现象，这种现象是与光波波长密切相关的，在粒子捕获中表现为对粒子的协助捕获与定向弹射。利用这一机理，则当向所述的基于毛细管光纤的微纳粒子操纵器中通入该特定波长的光波时，在纤端附近汇聚形成的强汇聚光束对微纳粒子所产生的正向辐射压力大于负向梯度力，微纳粒子在光学合力的作用下按照强汇聚光束的传播方向被弹射出去，实现对微纳粒子的输运功能。

毛细管光纤纤端圆锥台的底角θ满足以下关系：

θ≥arcsin(n_m/n₁) (2)

其中n_m为光纤纤端周围环境的折射率，n₁为毛细管光纤管状包层的折射率。满足这种条件时，通入毛细管光纤的光束在经过此圆锥台时，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，圆锥台的磨锥或者拉锥区域也可以增镀一层金属膜(反射膜)，此时锥角将不受限制，从而更有效的对光束进行收集。

对所述的基于毛细管光纤的微纳粒子操纵器件的可行性进行分析，理论分析结果如图5(a)-(b)所示。(a)图所示为单模光纤、无芯光纤以及毛细管光纤连接后，并对单模光纤进行通光的二维平面光场图，从图中我们可以看到在z方向80 0um到1000um段中拥有多个光强极大值，代表着多个强汇聚点的位置，从而捕获多个微纳粒子。当使用波长可调激光器对光场进行调制时，同一半径微粒处于 800um到1000um段中不同位置的纵向光阱力曲线如图(b)所示，每条曲线相比于参考线偏离的远近代表处于此种波长下的微粒所受纵向光阱力的大小。当通光波长为980nm时，多光阱区域处于925um附近，并且此时光阱力较大，捕获范围较小；当通光波长为1130nm时，多光阱区域处于938um附近，并且此时光阱力适中，捕获范围适中；当通光波长为1280nm时，多光阱区域处于958um附近，并且此时光阱力较小，捕获范围较大。且器件对于处于同一位置处的不同半径的微粒纵向光阱力大小有所不同，微粒半径较小时，光阱力较小，捕获效率越高；微粒半径较大时，光阱力较大，捕获效率较低；微粒半径过大时，多光阱区域不足以捕获微纳粒子，粒子在光学合力的共同作用下被推出到毛细管光纤的空气孔外。

本发明的基于毛细管光纤的微纳粒子操纵器还可以包括：

1、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：圆形、环形、三角形、矩形或其他多边形中的一种。

2、所述的无芯光纤也可以为阶跃折射率多模光纤或者渐变折射率多模光纤。

3、所述的毛细管光纤的空气孔形状可以为：圆形、正三角形、方形或者其他正多边形中的一种，且管状包层的形状可以为圆形、方形等其他正多边形中的一种。

4、所述的圆锥台纤端的锥面可直接对管状包层中的传导光波进行全反射，也可以增镀一层金属反射膜来增强全反射效果。

本发明的基于毛细管光纤的微纳粒子操纵器的制作方法为：

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光纤(单芯光纤、无芯光纤、毛细管光纤)，光纤切割刀用于切割两根待熔接光纤分别形成供熔接的光纤端面，光纤端面定位单元用于显示光纤端面的结构，光纤熔接单元将两根待熔接光纤的光纤端面熔接在一起。毛细管光纤圆锥台纤端制作：第一种方法：用光纤夹具固定住毛细管光纤，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。第二种方法：把光纤放置于光纤拉锥机上，拉制成合适的锥长并在拉锥区域合适位置切割，形成具有弧形锥面的圆锥台纤端。

本发明的优点主要体现在克服了在先技术的不足，利用无芯光纤对光束的发散作用以及毛细管光纤热熔塌陷形成的锥形过渡区实现了对光束的分割，在毛细管光纤的管状包层中传输的空心光束经反射和折射后会在空气孔内或者纤端附近形成在光轴上具有多个汇聚点的强汇聚光束，从而同时捕获多个微纳粒子。又利用波长调控多个捕获点的位置，最终实现对微纳粒子的储存、振荡和弹射功能。整个装置结构微小、集成化强，可对装置进行任意角度的旋转或长距离平移，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，对制作毛细管光纤光镊器件也提供了一种全新的思路，使其在生物医学研究、粒子输运等领域有广泛的应用价值。

(四)附图说明

图1是基于毛细管光纤的微纳粒子操纵器的结构示意图。由波长可调激光器1、单芯光纤2、无芯光纤3、毛细管光纤4组成。

图2(a)是光纤熔接机熔接各段光纤的示意图。由单芯光纤201、无芯光纤 202、毛细管光纤203、可移动的夹持装置204、夹持装置205、熔接单元206组成。图2(b)是光纤的熔接工艺流程图。由光纤切割、光纤端面清洁、角向定位、光纤熔接四部分组成。

图3(a)是拉锥制得弧形锥面的圆锥台纤端的制备示意图。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)是弧形锥面的圆锥台纤端的结构示意图。

图4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是基于毛细管光纤的微纳粒子操纵器的可行性分析结果图。

图6给出了无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。(a)图中给出了纤芯形状为三角形时的结构示意图。(b)图中给出了纤芯形状为正方形时的结构示意图。 (c)图中给出了纤芯形状为环形时的结构示意图。(d)图中给出了纤芯形状为多边形时的结构示意图。

图8给出了毛细管光纤的不同空气孔以及管状包层形状结构示意图。(a) 图中给出了空气孔形状为方形，管状包层形状为圆形时的结构示意图。(b)图中给出了空气孔形状为方形，管状包层形状为方形时的结构示意图。

图9是基于毛细管光纤的微纳粒子操纵器的应用结构示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例来进一步阐述本发明。

结合图1和图9，本发明实施方式是将单芯光纤、无芯光纤、毛细管光纤依次熔融焊接后连为一体，在无芯光纤与毛细管光纤的焊点处由于空气孔热熔塌陷形成锥形过渡区。所述器件中当单芯光纤纤芯中的传导光波经过无芯光纤的发散以及锥形过渡区的分割形成空心光束，可以通过精确控制无芯光纤的长度使两部分光束能够充分地分割并且向纤端传播。然后在毛细管光纤的管状包层中传输的空心光束经反射和折射后会在空气孔内或者纤端附近形成在光轴上具有多个汇聚点的强汇聚光束，实现在多个光阱位置同时对多个微纳粒子的三维光捕获。当利用波长可调激光器对通入单芯光纤中光波的波长进行周期性调控时，在毛细管光纤中强汇聚光束形成的多个汇聚点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多个微纳粒子的储存或者周期性振荡的功能。

采用特殊结构的微纳粒子，例如介质材料、生物材料或其他透明材料中的一种。可选的，微纳粒子材质也可以是透明材料和非透明材料混合或层叠材料。该种结构的粒子对于光波长变化时会产生响应，即存在法诺共振或表面等离子体共振的现象，即微纳粒子所受合力的方向在轴向产生不同寻常的正向和反向的现象，这种现象是与光波波长密切相关的，在粒子捕获中表现为对粒子的协助捕获与定向弹射。利用这一机理，则当向所述的基于毛细管光纤的微纳粒子操纵器中通入该特定波长的光波时，在纤端附近汇聚形成的强汇聚光束对微纳粒子所产生的正向辐射压力大于负向梯度力，微纳粒子在光学合力的作用下按照强汇聚光束的传播方向被弹射出去，实现对微纳粒子的输运功能。

基于无芯光纤与毛细管光纤熔融后形成的粒子操纵装置的制备过程可分为以下两个步骤(见图2-图4)：

步骤1、各段光纤的熔接(见图2)。在光纤切割刀、光纤端面定位单元和光纤熔接单元上均设有与可旋转光纤夹的形状或尺寸相匹配的定位件，通过定位件可实现可旋转光纤夹与光纤切割刀、光纤端面定位单元或光纤熔接单元的快速安装并保持安装位置固定。该定位件可以是定位孔、定位槽或固定位置等。光纤切割刀通过固定件自动固定可旋转光纤夹具的位置，确保每次切割位置一致。光纤端面定位单元通过固定件与可旋转光纤夹具快速安装固定，确保所观察到的光纤端面结构的准确性及操作一致性。光纤熔接单元206上的固定件可同时固定两个可旋转光纤夹，可以左右对称设置，使安装后的两个可旋转纤夹及其分别固定的两根待熔接光纤能够快速准确的进行熔接；

步骤2、纤端微加工(此步骤可采用两种方式制备)：光纤拉锥(见图3)。光纤去除涂覆层之后固定在光纤夹具上，控制系统驱动承载光纤的左手电控位移平台302以及右手电控位移平台304，将光纤送至CMOS相机301视野范围内，在视野区通过自动调焦系统将光纤对焦获得清晰图像309，图像可以通过计算机操控系统310进行显示。计算光纤几何参数与位姿信息并作为反馈量，通过调节左右手五个维度的微动执行装置，实现光纤波导与加热装置的对准。驱动电加热装置308将熔融区送至波导对准位置进行加热，用左、右手电控位移平台对光纤进行一定速度下的拉伸，拉锥完成后，在中心点用光纤切割刀进行切割，最终形成具有弧形锥面的圆锥台纤端。光纤纤端研磨(见图4)。用光纤夹具401固定好毛细管光纤402，然后把纤端放置于研磨盘403上，光纤夹具与光纤研磨盘各连接有一个直流电机驱动使其绕各自的中轴自转；保持毛细管光纤与研磨盘盘面法线呈固定夹角θ，通过光纤夹具和研磨盘的自转即可研磨出张开角为θ的圆锥台纤端。

可选的，无芯光纤替换为多模光纤时的折射率分布可以是阶跃折射率多模光纤和渐变折射率多模光纤中的一种，如图6(a)-(b)所示。

可选的，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：圆形、环形、三角形、矩形或其他多边形中的一种，如图7(a)-(c)所示。

可选的，毛细管光纤的空气孔形状可以为：圆形、正三角形、方形或者其他正多边形中的一种，且管状包层的形状可以为圆形、方形等其他正多边形中的一种，如图8(a)-(b)所示。

此外，可以通过控制无芯光纤的长度以及毛细管光纤圆锥台纤端的张角来获得汇聚效果最好的光束，从而更精准的俘获和操控微纳粒子。

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出10组单芯光纤、无芯光纤、毛细管光纤熔融焊接形成的器件。10组器件中无芯光纤的长度、圆锥台的张角各有不同。采用带尾纤的波长可调激光器加普通单模光纤进行注光(见图 1、图2、图9)；

步骤2、纤端微加工(此步骤可采用两种方式制备)：光纤拉锥：按照实施方式的光纤拉锥方法制作弧形锥面的圆锥台纤端结构(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结构(见图4)；

步骤3、微纳粒子的储存和振荡功能(见图1、图9)：采用波长可调的激光器给单芯光纤的纤芯通入固定光功率的光束，在光束到达单芯光纤与无芯光纤连接处后，利用无芯光纤对光束的发散作用以及毛细管光纤熔融后形成的锥形过渡区实现对光束的分割，可以通过精确控制无芯光纤的长度使两部分光束能够充分地分隔并且向纤端传播。然后在毛细管光纤的管状包层中传输的空心光束经反射和折射后会在空气孔内或者纤端附近形成在光轴上具有多个汇聚点的强汇聚光束，实现在多个光阱位置同时对多个微纳粒子的三维光捕获。当利用波长可调激光器对通入单芯光纤中光波的波长进行周期性调控时，在毛细管光纤中强汇聚光束形成的多个汇聚点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多个微纳粒子的储存或者周期性振荡的功能。依次换上每一组制备好的器件，观察其对多个微粒的捕获效果并进行记录，获得捕获效果最佳时的无芯光纤长度以及圆锥台的张角；

步骤4、微纳粒子的定向弹射功能(见图1、图9)：采用特殊结构的微纳粒子，例如介质材料、生物材料、其他透明材料、透明材料和非透明材料混合或层叠材料中的一种。该种结构的粒子处于光波长变化的光场中时，会存在Fano共振或等离子体共振的现象，则当向所述的基于毛细管光纤的微纳粒子操纵器中通入该特定波长的光波时，在纤端附近汇聚形成的强汇聚光束对微纳粒子所产生的正向辐射压力大于负向梯度力，微纳粒子在光学合力的作用下按照强汇聚光束的传播方向被推到空气孔外。根据实际所需，整体移动光纤光镊装置，将多个微纳粒子按照预定的路径定向弹射到微流多通道8的不同通道中，从而利用本装置完成对微纳粒子的精准光操纵。

Claims (4)

1.基于毛细管光纤的微纳粒子操纵器，其特征是：它由波长可调激光器(1)、单芯光纤(2)、无芯光纤(3)以及毛细管光纤(4)组成，波长可调激光器(1)由数据输入端(101)和不同波长输出端(102)组成，单芯光纤(2)由纤芯(201)以及包层(202)组成，无芯光纤(3)由包层(301)组成，毛细管光纤(4)由空气孔(401)和管状包层(402)组成，将单芯光纤、无芯光纤、毛细管光纤依次熔融焊接后连为一体，在无芯光纤(3)与毛细管光纤(4)的焊点(7)处由于空气孔(401)热熔塌陷形成锥形过渡区(403)；当单芯光纤(2)纤芯(201)中的传导光波经过无芯光纤(3)以及锥形过渡区(403)时被分割形成空心光束，然后在毛细管光纤(4)的管状包层(402)中传输的空心光束经反射和折射后会在空气孔内或者纤端附近形成在光轴上具有多个汇聚点的强汇聚光束(5)，从而同时对多个微纳粒子(6)实施光捕获；当利用波长可调激光器(1)对通入单芯光纤(2)中光波的波长进行周期性调控时，在毛细管光纤(4)中强汇聚光束(5)形成的多个汇聚点的轴向位置会发生周期性变化，即可实现对处于纤端附近捕获的微纳粒子(6)的储存或者周期性的振荡功能；若微纳粒子(6)对特定波长的光波存在表面等离子体共振或Fano共振现象，则当向所述的基于毛细管光纤的微纳粒子操纵器中通入该特定波长的光波时，在纤端附近汇聚形成的强汇聚光束(5)对微纳粒子(6)所产生的正向辐射压力大于负向梯度力，微纳粒子(6)在光学合力的作用下按照强汇聚光束(5)的传播方向被弹射出去，实现对微纳粒子(6)的输运功能。

2.根据权利要求1所述的基于毛细管光纤的微纳粒子操纵器，其特征是：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，且纤芯形状为：圆形、环形、三角形、矩形或其他多边形中的一种。

3.根据权利要求1所述的基于毛细管光纤的微纳粒子操纵器，其特征是：所述的无芯光纤也可以为阶跃折射率多模光纤或者渐变折射率多模光纤。

4.根据权利要求1所述的基于毛细管光纤的微纳粒子操纵器，其特征是：所述的毛细管光纤的空气孔形状为：圆形、正三角形、方形或者其他正多边形中的一种，且管状包层的形状为圆形、方形等其他正多边形中的一种。

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