專利名稱：基于同軸雙波導結(jié)構(gòu)的吞吐式光纖光鑷及動力學控制方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及的是一種光纖光鑷。本發(fā)明還涉及一種光纖光鑷的動力學控制方法。
背景技術(shù)：
光鑷是利用光強度分布的梯度力和散射力俘獲和操縱微小粒子的工具。1986 年 Askin 在"Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles” 一文中提出一種基于單束激光的三維光學勢阱，用于實現(xiàn)對粒子 的三維空間控制，因為此光束可以實現(xiàn)空間對微小粒子的夾持，因此得名“光鑷”，這篇文章 發(fā)表在Opt. Lett. 11，288-290。此后，光鑷技術(shù)發(fā)展迅速，成為重要的研究技術(shù)手段，并促進 了若干交叉領域的快速發(fā)展。例如在微小粒子的捕獲和搬運、皮牛級力的測量、微機械與 微器件的組裝等領域得到廣泛的應用。特別在生命科學領域，光鑷技術(shù)以其非接觸式、無損 探測的本質(zhì)特性顯示了其無與倫比的優(yōu)勢，對于推動生命科學的發(fā)展和微生命體的操縱發(fā) 揮了巨大的作用。光鑷俘獲的粒子尺度可以從幾納米到幾十微米，可以為剛性顆粒，也可以 是軟物質(zhì)顆粒；可以為無生命的顆粒，也可以是活體細胞或病毒。由傳統(tǒng)光鑷發(fā)展至光纖光鑷技術(shù)以來，產(chǎn)生多種光纖光鑷系統(tǒng)，例如E. R. Lyons 等人將兩根單模光纖的端面研磨成錐體，在錐體尖端形成一個半球面，使得出射光束具有 弱聚焦特性，將這兩根光纖成一定光軸夾角放置，交疊光場形成的光阱可以實現(xiàn)微粒的捕 獲和懸浮，這篇文章于1995年發(fā)表在Appl. Phys. Lett. 66，1584-1586 ；為了進一步對所 捕獲的微小粒子的姿態(tài)進行控制，名為“用來俘獲微小粒子的雙芯單光纖光鑷及其制作方 法”，公開號為CN101149449的中國發(fā)明專利文件中又給出了一種雙芯光纖光鑷。此后，又 陸續(xù)出現(xiàn)苑立波等人提出的基于環(huán)形多芯光纖的光鑷，公開號為CN101236275 ；和集成于 單根光纖的多光鑷，公開號為CN101251620等新型光鑷，這些新型光鑷多能實現(xiàn)對微粒進 行捕獲、空間定位、使其空間旋轉(zhuǎn)等功能，但從未見可以發(fā)射捕獲粒子的光鑷報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在具備對微粒進行捕獲、空間定位等基本功能基礎上 還可以實現(xiàn)對捕獲微粒的吞吐功能的基于同軸雙波導結(jié)構(gòu)的吞吐式光纖光鑷。本發(fā)明的目 的還在于提供一種基于同軸雙波導結(jié)構(gòu)的吞吐式光纖光鑷的動力學控制方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的基于同軸雙波導結(jié)構(gòu)的吞吐式光纖光鑷主要由同軸雙波導微結(jié)構(gòu)光纖 1、波長可調(diào)LD光源2和標準單模單芯光纖3構(gòu)成，同軸雙波導微結(jié)構(gòu)光纖1通過熔融拉椎 的方式與標準單模單芯光纖3耦合連接，標準單模單芯光纖3的另一側(cè)與波長可調(diào)LD光源 2連接，同軸雙波導微結(jié)構(gòu)光纖1的另一端進行精細研磨成圓錐體形狀103。所述同軸雙波導微結(jié)構(gòu)光纖1包括一個環(huán)形波導纖芯101和一個圓形波導纖芯 102，圓形波導纖芯102位于光纖中心，環(huán)形波導纖芯101位于圓形波導纖芯102外，兩纖芯 同軸分布。
所述圓錐體形狀103的半錐角α控制在π/2-arcsin (nli(iuid/n。。J < α < ji/2 的范圍內(nèi)。本發(fā)明的基于同軸雙波導結(jié)構(gòu)的吞吐式光纖光鑷的動力學控制方法為由同軸雙 波導微結(jié)構(gòu)光纖1、波長可調(diào)LD光源2和標準單模單芯光纖3構(gòu)成基于同軸雙波導結(jié)構(gòu)的 吞吐式光纖光鑷；同軸雙波導微結(jié)構(gòu)光纖1通過熔融拉椎的方式與標準單模單芯光纖3耦 合連接，標準單模單芯光纖3的另一側(cè)與波長可調(diào)LD光源2連接，同軸雙波導微結(jié)構(gòu)光纖 1的另一端進行精細研磨成圓錐體形狀103 ；通過調(diào)節(jié)改變波長可調(diào)LD光源2的波長，實現(xiàn) 穩(wěn)定捕獲粒子的吞吐、發(fā)射、吸回。本發(fā)明的優(yōu)點和特點是這種基于同軸雙波導結(jié)構(gòu)的光纖光鑷的主要優(yōu)點在于利用同軸雙波導光纖對微 粒進行操控，通過調(diào)節(jié)注入光源的波長，即波長調(diào)制的方法，可實現(xiàn)穩(wěn)定捕獲粒子的吞吐， 即可發(fā)射微粒，又可將其吸回。同時，基于同軸雙波導結(jié)構(gòu)的吞吐式光鑷對微粒的捕獲更加靈活、準確，具備可調(diào) 節(jié)性，大大提高了光纖光鑷技術(shù)的實用性。


圖1基于同軸雙波導結(jié)構(gòu)光纖的吞吐式光纖光鑷的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2同軸雙波導光纖剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3單模光纖與同軸雙波導光纖耦合連接示意圖。圖4同軸雙波導光纖端研磨錐體示意圖。圖5基于同軸雙波導光纖的吞吐式光纖光鑷系統(tǒng)等效圖。圖6吞吐式光纖光鑷實現(xiàn)吞吐功能示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述圖1是基于同軸雙波導微結(jié)構(gòu)光纖的吞吐式光纖光鑷的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1 為同軸雙波導光纖，101為環(huán)形纖芯，102為軸心纖芯，二者分布同心，2為系統(tǒng)光源，3普通 標準單模單芯光纖，4為單芯光纖與同軸雙波導光纖熔融拉錐耦合連接位置，103是為實現(xiàn) 對微小粒子的捕獲而精細研磨的光纖端。圖2是同軸雙波導光纖剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1為同軸雙波導光纖，101為環(huán)形 纖芯，102為軸心纖芯，二者分布同心。圖3是單模光纖與同軸雙波導光纖耦合連接示意圖。圖中，1為同軸雙波導光纖， 101為環(huán)形纖芯，102為軸心纖芯，二者分布同心，3普通標準單模單芯光纖，4為單芯光纖與 同軸雙波導光纖熔融拉錐耦合連接位置。圖4是同軸雙波導光纖端研磨錐體示意圖。圖中，1為同軸雙波導光纖，101為環(huán) 形纖芯，102為軸心纖芯，二者分布同心，103是為實現(xiàn)對微小粒子的捕獲而精細研磨的光 纖端，α為錐體研磨半錐角，控制在Ji/2-arCSin(nii(luid/n。_) < α < π/2的范圍內(nèi)。圖5是基于同軸雙波導光纖的吞吐式光纖光鑷系統(tǒng)等效圖。圖中，101為環(huán)形纖 芯，102為軸心纖芯，2為系統(tǒng)光源，3普通標準單模單芯光纖，4為單芯光纖與同軸雙波導光纖熔融拉錐耦合連接位置。圖6是吞吐式光纖光鑷實現(xiàn)吞吐功能示意圖。圖中，1為同軸雙波導光纖，101為 環(huán)形纖芯，102為軸心纖芯，二者分布同心，103是為實現(xiàn)對微小粒子的捕獲而精細研磨的 光纖端，104為軸心芯102中光束的出射光場產(chǎn)生光阱力的結(jié)果，作用為將捕獲的粒子推離 光纖端，105為環(huán)形芯101中光束的出射光場產(chǎn)生光阱力的結(jié)果，作用為將捕獲的粒子拉近 光纖端。通過調(diào)節(jié)注入光源的波長，使得耦合連接處兩纖芯101，102中光功率的比值，改變 光阱力104和105的合力作用效果，即要么拉力占優(yōu)勢，體現(xiàn)“吞”的功能，要么推力占優(yōu)勢， 體現(xiàn)“吐”的功能。結(jié)合圖1，本發(fā)明的吞吐式光纖光鑷包括，1為具有同軸雙波導結(jié)構(gòu)的光纖；101為 環(huán)形光纖芯；102與環(huán)形芯同軸分布的位于光纖中心的圓型光纖芯，2吞吐式光纖光鑷系統(tǒng) 光源；3普通標準單模光纖；4為標準單模光纖與同軸雙波導光纖1的耦合連接位置；103 是經(jīng)研磨加工得到的椎體光纖前端。所述的錐體的半錐角α控制在π/2-arcsin(Iiliquid/ ncore) < α < ji/2 的范圍內(nèi)。本發(fā)明的吞吐式光纖光鑷的制作過程步驟1，光源注入結(jié)合圖3，將剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示的同軸雙波導光纖1的一端進 行涂敷層祛除、切割，然后與普通單芯光纖3 (普通單芯光纖3的另一端與波長可調(diào)LD光源 2常規(guī)連接)進行熔融拉錐耦合連接，過程中進行光功率監(jiān)測，直到耦合到同軸雙波導光纖 中的光功率達到最大，且滿足當光源波長為λ i時，纖芯101中的光功率大于纖芯102，當光 源波長為入2時，纖芯102中的光功率大于纖芯101;步驟2，錐體研磨結(jié)合圖4，將前序操作后的同軸雙波導光纖1的另一端進行精 細研磨，成圓錐體形狀103，為了保證出射光經(jīng)過圓錐面折射后能夠形成相互交叉的組合光 束，半錐角α控制在Ji/2-arCSin(nii(luid/n。。J < α < π/2的范圍內(nèi)。對于纖芯折射率 ncore = 1. 4868，包層折射率n。ladding = 1. 4571，和光纖光鑷所處的液體折射率nwatCT = 1. 333 的情況下，該半錐角的范圍應控制在26. 3° -90°之間。步驟3，錐體拋光將上述研磨好的光纖錐體進行拋光，在顯微鏡下經(jīng)過檢測合格 后，放在超聲清洗槽中清洗、烘干備用；步驟4，吞吐操作結(jié)合圖5和6，系統(tǒng)采用光源可調(diào)的LD光源2，通過調(diào)節(jié)光源光 波，使得兩纖芯101、102中的光功率比發(fā)生變化，實現(xiàn)此光鑷的吞吐功能。
權(quán)利要求
一種基于同軸雙波導結(jié)構(gòu)的吞吐式光纖光鑷，主要由同軸雙波導微結(jié)構(gòu)光纖[1]、波長可調(diào)LD光源[2]和標準單模單芯光纖[3]構(gòu)成，其特征是同軸雙波導微結(jié)構(gòu)光纖[1]通過熔融拉椎的方式與標準單模單芯光纖[3]耦合連接，標準單模單芯光纖[3]的另一側(cè)與波長可調(diào)LD光源[2]連接，同軸雙波導微結(jié)構(gòu)光纖[1]的另一端進行精細研磨成圓錐體形狀[103]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于同軸雙波導結(jié)構(gòu)的吞吐式光纖光鑷，其特征是所述同 軸雙波導微結(jié)構(gòu)光纖[1]包括一個環(huán)形波導纖芯[101]和一個圓形波導纖芯[102]，圓形波 導纖芯[102]位于光纖中心，環(huán)形波導纖芯[101]位于圓形波導纖芯[102]外，兩纖芯同軸 分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于同軸雙波導結(jié)構(gòu)的吞吐式光纖光鑷，其特征是所 述圓錐體形狀[103]的半錐角α控制在Ji/2-arCSin(nli(luid/n。。J < α < π/2的范圍內(nèi)。
4.一種基于同軸雙波導結(jié)構(gòu)的吞吐式光纖光鑷的動力學控制方法，其特征是由同軸 雙波導微結(jié)構(gòu)光纖[1]、波長可調(diào)LD光源[2]和標準單模單芯光纖[3]構(gòu)成基于同軸雙波 導結(jié)構(gòu)的吞吐式光纖光鑷；同軸雙波導微結(jié)構(gòu)光纖[1]通過熔融拉椎的方式與標準單模單 芯光纖[3]耦合連接，標準單模單芯光纖[3]的另一側(cè)與波長可調(diào)LD光源[2]連接，同軸 雙波導微結(jié)構(gòu)光纖[1]的另一端進行精細研磨成圓錐體形狀[103]；通過調(diào)節(jié)改變波長可 調(diào)LD光源[2]的波長，實現(xiàn)穩(wěn)定捕獲粒子的吞吐、發(fā)射、吸回。
全文摘要
本發(fā)明提供的是基于同軸雙波導結(jié)構(gòu)的吞吐式光纖光鑷及動力學控制方法。主要由同軸雙波導微結(jié)構(gòu)光纖[1]、波長可調(diào)LD光源[2]和標準單模單芯光纖[3]構(gòu)成，其特征是同軸雙波導微結(jié)構(gòu)光纖[1]通過熔融拉椎的方式與標準單模單芯光纖[3]耦合連接，標準單模單芯光纖[3]的另一側(cè)與波長可調(diào)LD光源[2]連接，同軸雙波導微結(jié)構(gòu)光纖[1]的另一端進行精細研磨成圓錐體形狀[103]。利用同軸雙波導光纖對微粒進行操控，通過調(diào)節(jié)改變光源波長，可實現(xiàn)穩(wěn)定捕獲粒子的吞吐、發(fā)射，甚至吸回；同時，基于同軸雙波導結(jié)構(gòu)的吞吐式光鑷對微粒的捕獲更加靈活、準確，具備可調(diào)節(jié)性，大大提高了光纖光鑷技術(shù)的實用性。
文檔編號G02B6/25GK101950049SQ201010215348
公開日2011年1月19日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者張羽, 楊軍, 苑立波 申請人:哈爾濱工程大學