專利名稱：小芯徑超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種小芯徑超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷技術(shù)。(二) 背景技術(shù)1986年Askin (Optics Letters, 11， 288-290， 1986) 把單束激光引入高數(shù)值孔徑物鏡形 成了三維光學(xué)勢(shì)阱，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小粒子的三維空間控制。用一束強(qiáng)聚焦的激光實(shí)現(xiàn)了在^平 面和沿z軸方向上同時(shí)形成梯度力勢(shì)阱，從而穩(wěn)定的俘獲粒子。由于該光阱僅僅使用一束激 光形成，所以稱這種光阱為單光束梯度力光阱，也就是人們通常所說(shuō)的光鑷。目前，人們可用光鑷對(duì)細(xì)胞、細(xì)胞器及染色體進(jìn)行捕獲、分選、操縱、彎曲細(xì)胞骨架、 克服分子馬達(dá)力引起的細(xì)菌旋轉(zhuǎn)動(dòng)力、測(cè)定馬達(dá)蛋白作用力、及對(duì)膜體系進(jìn)行定量研究。此 外，光鑷技術(shù)還可應(yīng)用于微小顆粒的捕獲、排列和顯微制造等領(lǐng)域。常規(guī)光鑷儀器都是將從激光器發(fā)出的激光束，經(jīng)擴(kuò)束器和光強(qiáng)調(diào)節(jié)器后進(jìn)入生物顯微鏡 系統(tǒng)，被雙向色分束器和高倍顯微物鏡會(huì)聚后形成光焦點(diǎn)光阱，由于梯度場(chǎng)光阱的作用將樣 品中的微粒捕獲于焦點(diǎn)附近。基于顯微鏡的常規(guī)光鑷儀器體積龐大，樣品移動(dòng)自由度小。例如，陸思等人的發(fā)明專利 申請(qǐng)"光波導(dǎo)光鉗系統(tǒng)"(于2006年3月1日授權(quán)，公開號(hào)CN 1740831A)采用特殊設(shè)計(jì)的光 波導(dǎo)，來(lái)解決光鑷的空間運(yùn)動(dòng)靈活性問題。由于其具有幾何尺寸大和工作距離短的特性，因 而限制了普通光鑷的應(yīng)用，使其很難操縱位于狹窄位置(如深孔中)的微粒，也不易實(shí)現(xiàn) 多光鑷操縱。這些固有的缺點(diǎn)限制了其作為生物粒子微操縱工具的應(yīng)用。新發(fā)展的光纖光鑷 技術(shù)較好地解決了這些問題。利用兩根纖芯相對(duì)的單錐形透鏡單模光纖光鑷能夠捕獲微米量 級(jí)的聚苯乙烯球。但利用雙光纖構(gòu)成的光鑷要求光纖出射的光束在空間上對(duì)準(zhǔn)、移動(dòng)時(shí)兩根 光纖必須同時(shí)動(dòng)作，操作上仍存在諸多不便。容易想象，如果能夠利用單根光纖構(gòu)成光鑷， 則操作會(huì)更為簡(jiǎn)單，系統(tǒng)成本也會(huì)大大降低。但利用普通單模光纖(如目前光通信普遍采用 的SMF-28型標(biāo)準(zhǔn)單模光纖)所形成的光學(xué)梯度力勢(shì)阱對(duì)粒子捕獲作用不足以抵消粒子的重 力，不能實(shí)現(xiàn)粒子的三維捕獲。2003年加拿大的R,S.Taylor (Optics Express, 11, 2775-2782， 2003) 等人利用腐蝕和鍍 膜的方法，制作了一種中空的金屬化光纖探針尖，巧妙的利用針尖的靜電引力與光的散射力 達(dá)到平衡，捕獲和操縱了浸沒在水中的玻璃微粒，實(shí)現(xiàn)了粒子的三維捕獲。但這種方法加工 過(guò)程中需要進(jìn)行多次腐蝕，步驟復(fù)雜，加工時(shí)間長(zhǎng)，而且加工過(guò)稃需要使用氫氟酸等有毒物 質(zhì)，所以對(duì)加工環(huán)境要求高。
2006年，本發(fā)明人報(bào)道了一種借助于融拉法制作的具有拋物線形微結(jié)構(gòu)的單光纖針尖形 光鑷(Optics Express, 14 (25) ,12510-12516， 2006)，利用該拋物線形微結(jié)構(gòu)單光纖光鑷能 對(duì)微小物體進(jìn)行三維捕獲和操縱。但這種拋物線形微結(jié)構(gòu)單光纖針尖形光鑷在結(jié)構(gòu)方面，由 于尖端較細(xì)，存在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠強(qiáng)的問題。另一方面，這種微結(jié)構(gòu)單光纖針尖形光鑷在進(jìn)行 批量加工時(shí)，很難保持其光學(xué)性能和力學(xué)性能的一致性。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種可以實(shí)現(xiàn)與各種波長(zhǎng)光源尾纖的低損耗連接、同時(shí)便于微小 粒子的俘獲與操縱的小芯徑超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的小芯徑超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷的結(jié)構(gòu)為它是一種采用小芯徑超高 數(shù)值孔徑的光纖加工，其光纖端被研磨成錐體形狀且錐尖角度在30° ~120°之間并通過(guò)熱融 擴(kuò)散數(shù)值孔徑匹配技術(shù)連接的小芯徑超高數(shù)值孔徑錐休光纖光鑷。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的這種超高數(shù)值孔徑單模錐體光纖光鑷具有以下四個(gè)方面的主要特征(1) 光纖數(shù)值孔徑大，超過(guò)普通標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的若干倍；(2) 光纖芯徑細(xì)，芯徑遠(yuǎn)小丁普通標(biāo)準(zhǔn)單模光纖；(3) 光纖端研磨成或蝕刻成錐體，便于微小粒子的俘獲與操縱；(4) 通過(guò)熱熔擴(kuò)徑技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)與各種波長(zhǎng)光源尾纖的低損耗連接。 本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明小芯徑超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷的制作方法。本發(fā)明產(chǎn)品的制備方法為1. 光纖制備或選取制備或選取數(shù)值孔徑大于普通標(biāo)準(zhǔn)單模光纖3倍以上，并且光纖 芯模場(chǎng)直徑要遠(yuǎn)小于普通標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的纖芯模場(chǎng)直徑的超高數(shù)值孔徑的光纖；2. 錐體加工采用光纖端研磨技術(shù)或化學(xué)蝕刻技術(shù)，將光纖端加工成錐尖角度在30° ~120°之間便于使用錐尖對(duì)微小粒子進(jìn)行俘獲和操縱的錐體；3. 與光源光纖進(jìn)行連接與耦合采用熱融接的方法，將制作好的超高數(shù)值孔徑錐體光 纖光鑷與標(biāo)準(zhǔn)光纖進(jìn)行熱融焊接，，然后對(duì)焊接部分進(jìn)行涂覆；4. 封裝將研磨好的錐體光纖光鑷端用不銹鋼外套管進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)對(duì)連接好的裸光 纖加裝保護(hù)纜套，并在普通標(biāo)準(zhǔn)單模光纖端加裝活動(dòng)連接器。本發(fā)明制備方法還有這樣一些技術(shù)特征1、 所述的制備或選用的光纖數(shù)值孔徑大于0.33,光纖芯模場(chǎng)直徑小于3微米；2、 所述的熱融焊接步驟包括首先對(duì)小芯徑超高數(shù)值孔徑光纖的焊接端進(jìn)行切割、清 洗，然后對(duì)該光纖端在對(duì)通光功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)條件下實(shí)施加熱使其纖芯發(fā)生熱擴(kuò)散， 當(dāng)熱擴(kuò)散達(dá)到芯場(chǎng)直徑和數(shù)值孔徑已經(jīng)與光源光纖接近時(shí)對(duì)兩光纖進(jìn)行焊接，然后 對(duì)焊接部分進(jìn)行涂覆以完成超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷與光源的低損耗連接。 本發(fā)明所提供的小芯徑超高數(shù)值孔徑光纖光鑷可用于活體生物細(xì)胞的俘獲或微小粒子的 搬運(yùn)與組裝。由于該光纖尖端的大數(shù)值孔徑而形成的發(fā)散光場(chǎng)可形成較人的光場(chǎng)梯度力勢(shì)阱， 因而可以克服粒子的自重，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小粒子的單光纖三維俘獲，對(duì)俘獲粒子進(jìn)行固定、搬運(yùn) 以及傳遞等操作。實(shí)現(xiàn)光鑷的基本原理是使處于光場(chǎng)中的粒子受到兩種基本的光壓力——沿入射光束方向 的散射力和沿光強(qiáng)梯度方向的梯度力。當(dāng)光場(chǎng)形成的梯度力大于其散射力和吸收產(chǎn)生的力時(shí)， 對(duì)微粒起主導(dǎo)作用的梯度力將微粒捕獲在光束焦點(diǎn)附近，形成由光學(xué)梯度場(chǎng)產(chǎn)生的光阱。對(duì)于確定的粒子，光場(chǎng)的發(fā)散角度和光場(chǎng)的束腰是光場(chǎng)能否形成勢(shì)阱的二個(gè)重要因素， 基于射線模型的光鑷?yán)碚撃軌蚶媒馕龅姆椒ň_描述光場(chǎng)束腰的影響，當(dāng)高斯光束束腰較 大時(shí)則不能形成光勢(shì)阱。歸納起來(lái)，必須有很小的束腰以及比較大的光束發(fā)散角，才能產(chǎn)生 足夠強(qiáng)的梯度力，將粒子穩(wěn)定的束縛在光勢(shì)阱中。利用本發(fā)明提供的方法，可以將激光光源低損耗耦合到小芯徑超高數(shù)值孔徑光纖中，當(dāng) 光從小芯徑超高數(shù)值孔徑光纖出射后可形成腰斑直徑很小的發(fā)散光場(chǎng)，能夠形成穩(wěn)定的三維 光勢(shì)阱，從而實(shí)現(xiàn)單光纖粒子俘獲和操縱。本發(fā)明的制備方法具有如下優(yōu)點(diǎn)-(1) 采用光纖端研磨微加工技術(shù)制作光纖光鑷，可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；庸ぃ菀妆ＷC產(chǎn)品 的標(biāo)準(zhǔn)化與一致性；(2) 光源的輸出光纖通常為普通單模光纖，將其與一段小芯徑超高數(shù)值孔徑光纖通過(guò) 相互連接和熱融芯徑匹配，可以降低連接損耗，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需增加外部光學(xué)系統(tǒng)；(3) 采用本發(fā)明制備方法制作的單光纖光鑷，對(duì)光源的傳播模式無(wú)特殊要求；(4) 采用本發(fā)明制備方法制作的單光纖光鑷操縱靈活，被捕獲的樣品可以自由移動(dòng)， 可以使光鑷微操縱系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單、方便、適用；(5) 所制作的單光纖光鑷可以深入到樣品室任何位置，大大提高了應(yīng)用范圍。

圖1為小芯徑超高數(shù)值孔徑光纖端進(jìn)行錐體光纖研磨的示意圖； 圖2為光纖端被制作成錐體結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3為超高數(shù)值孔徑，小芯徑光纖在進(jìn)行熱融擴(kuò)散時(shí)，其芯區(qū)折射率降低并向周圍擴(kuò)展的過(guò) 程示意圖；圖4是單光纖光鑷工作原理意圖5為利用光纖光鑷構(gòu)成光的微小粒子操縱系統(tǒng)示意圖。 具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明實(shí)施例利用小芯徑超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷實(shí)現(xiàn)微小物體的搬運(yùn)。 本實(shí)施例的小芯徑超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷制備方法為1、 光纖的制備或選取光纖通信用普通標(biāo)準(zhǔn)單模石英光纖的數(shù)值孔徑一般為0.11左 右，在空氣中光纖出射光場(chǎng)對(duì)應(yīng)的最大發(fā)散角約為6.32°，在水中，約為4.74°，因此所形 成的發(fā)散光場(chǎng)的梯度力勢(shì)阱較淺，不足以克服粒子的重力。本發(fā)明在制作光纖光鑷時(shí)，一 方面將制備或選用小芯徑超高數(shù)值孔徑的光纖，其數(shù)值孔徑一般大于普通光纖的3倍。本 實(shí)施例中，采用數(shù)值孔徑為0.35的超高數(shù)值孔徑光纖，其在空氣中出射光場(chǎng)的最大發(fā)散角 為20.5°，在水中的發(fā)散角為15.3°,可以形成足夠深的發(fā)散光場(chǎng)梯度力勢(shì)阱。另一方面， 本發(fā)明除了對(duì)光纖的數(shù)值孔徑的要求外，還要求光纖具有足夠小的纖芯模場(chǎng)直徑。這也是 為了進(jìn)一步壓縮光場(chǎng)的束腰直徑，增強(qiáng)三維光場(chǎng)梯度力所必需的。因此，要求光纖芯模場(chǎng) 直徑要遠(yuǎn)小于普通單模光纖的纖芯模場(chǎng)直徑。本實(shí)施例制作錐體光纖光鑷的過(guò)程中，采用 小芯徑單模光纖的纖芯模場(chǎng)直徑為2.6微米，而普通單模光纖的纖芯模場(chǎng)直徑是9微米，前 者遠(yuǎn)小于后者；2、 錐體的研磨結(jié)合如圖1所示的光纖端研磨技術(shù)，采用了光纖端微加工研磨系統(tǒng)和研磨砂紙顆粒度由粗到細(xì)的系列研磨過(guò)程，在實(shí)施微加工過(guò)程中，所加工的錐角可在30。 ~120°之間可調(diào)，本實(shí)施例將光纖端加工成如圖2所示的錐體，所加工的錐角為60。。經(jīng) 過(guò)本實(shí)施例研磨技術(shù)加工的錐體光纖尖端具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性，同時(shí)將光纖端處理 成錐體，作為光鑷在使用時(shí)具有方便靈活的特點(diǎn)；3、 與光源光纖的連接與耦合要確保上述光纖光鑷得以實(shí)現(xiàn)，還需要解決如何將帶尾纖的激光光源與具有超高數(shù)值孔徑和小模場(chǎng)芯徑的光纖實(shí)現(xiàn)低損耗連接與耦合的問題。本發(fā)明將采用熱融接的辦法，將制作好的小芯徑超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷與纖芯模場(chǎng)直徑9 微米、數(shù)值孔徑約為O.ll的標(biāo)準(zhǔn)光纖進(jìn)行熱融焊接，結(jié)合圖3，圖3為超高數(shù)值孔徑，小 芯徑光纖在進(jìn)行熱融擴(kuò)散時(shí)，其芯區(qū)折射率降低并向周圍擴(kuò)展的過(guò)程示意圖，由于在該熱 融擴(kuò)散過(guò)程中，小芯徑區(qū)折射率降低導(dǎo)致數(shù)值孔徑降低，擴(kuò)散又使得小芯徑區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大， 從而使得其模場(chǎng)與普通標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的模場(chǎng)相互匹配，使得低損耗連接成為可能。在熱融 焊接過(guò)程中，由于小芯徑超高數(shù)值孔徑的光纖芯區(qū)的高摻雜濃度將在加熱熔融過(guò)程中逐漸 向周圍擴(kuò)散，因而， 一方面使得數(shù)值孔徑逐漸降低，另一方面，擴(kuò)散也進(jìn)一步使芯場(chǎng)直徑 得到擴(kuò)展。在本實(shí)施例中，首先對(duì)小芯徑超高數(shù)值孔徑光纖進(jìn)行加熱，當(dāng)熱擴(kuò)散達(dá)到一定
程度后，芯場(chǎng)直徑和數(shù)值孔徑已經(jīng)與連接光纖接近時(shí)，對(duì)兩光纖進(jìn)行焊接，然后對(duì)焊接部 分進(jìn)行涂覆，就完成了超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷與光源的低損耗連接；4、封裝封裝過(guò)程包括(1)將研磨好的錐體光纖光鑷端用一段不銹鋼套管進(jìn)行保護(hù)； (2)對(duì)連接好的裸光纖加裝保護(hù)纜套進(jìn)行保護(hù)；(3)在普通光纖端加裝活動(dòng)連接器，本 實(shí)施例中采用FC/APC型活動(dòng)連接器。結(jié)合圖4，激光從具有超高數(shù)值孔徑光纖1的錐體3尖端出射后，在光纖尖端4處形成一個(gè)束腰"。極小的光場(chǎng)，這種具有很小的光束半徑和大梯度分布特性的光場(chǎng)對(duì)置于其中的微小物體5產(chǎn)生一定的梯度力，該梯度力指向光最強(qiáng)處4，并且足以抵消光散射力和物體的重 力，能夠?qū)⑽⑿∥矬w捕獲并約束于光纖針前端附近。結(jié)合圖5，本實(shí)施例利用光纖光鑷構(gòu)成光的微小粒子操縱系統(tǒng)中，光源6使用波長(zhǎng)A二 980nm的激光器。光源6發(fā)出的光經(jīng)過(guò)一個(gè)分光比為98:2的光纖耦合器7后分為兩束，其中 一束用作功率檢測(cè)8，另一束通過(guò)光纖1傳輸?shù)綊佄锞€形微結(jié)構(gòu)單光纖光鑷。光纖光鑷安裝 在一個(gè)可三維平動(dòng)、 一維轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械調(diào)節(jié)架9上，通過(guò)該機(jī)械調(diào)節(jié)架能夠調(diào)節(jié)光纖在樣品池 10內(nèi)的插入位置、插入深度和插入角度。樣品池10置于一個(gè)倒置生物顯微鏡的載物臺(tái)11上， 圖像經(jīng)過(guò)一個(gè)紅外濾光片12后由顯微鏡物鏡13成像于CCD14上進(jìn)行采集。用顯微鏡的載物臺(tái)11將物品5移入視野中，然后將調(diào)節(jié)好插入角度的單光纖光鑷1移 入視場(chǎng)，并使之與待捕獲樣品處于同一平面，將光纖光鑷移近物品5并調(diào)節(jié)光功率即可實(shí)現(xiàn) 捕獲。捕獲成功后樣品將不再隨顯微鏡載物臺(tái)11移動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種小芯徑超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷，其特征在于它是一種采用小芯徑超高數(shù)值孔徑的光纖加工，其光纖端被研磨成錐體形狀且錐尖角度在30°～120°之間并通過(guò)熱融擴(kuò)散數(shù)值孔徑匹配技術(shù)連接的小芯徑超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷。
2. —種小芯徑超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷的制作方法，其特征在于制作方法步驟包括2.1、 光纖制備或選取制備或選取數(shù)值孔徑大于普通標(biāo)準(zhǔn)單模光纖3倍以上，并且光纖芯模場(chǎng)直徑要遠(yuǎn)小于普通標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的纖芯模場(chǎng)直徑的超高數(shù)值孔徑的光纖；2.2、 錐體加工采用光纖端研磨技術(shù)或化學(xué)蝕刻技術(shù)，將光纖端加工成錐尖角度在30 ° ~120°之間的錐體；2.3、 與光源光纖進(jìn)行低損耗連接與耦合采用熱融接的方法，將制作好的超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷與標(biāo)準(zhǔn)光纖進(jìn)行熱融焊接，然后對(duì)焊接部分進(jìn)行涂覆；2.4、 封裝將研磨好的錐體光纖光鑷端用不銹鋼外套管進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)對(duì)連接好的裸光纖加裝保護(hù)纜套，并在普通標(biāo)準(zhǔn)單模光纖端加裝活動(dòng)連接器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的小芯徑超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷的制作方法，其特征在于所述的 制備或選用的光纖數(shù)值孔徑大于0.33，光纖芯模場(chǎng)直徑小于3微米。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的小芯徑超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷的制作方法，其特征在于所 述的熱融焊接步驟包括首先對(duì)小芯徑超高數(shù)值孔徑光纖的焊接端進(jìn)行切割、清洗，然后 對(duì)該光纖端在對(duì)通光功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)條件下實(shí)施加熱使其纖芯發(fā)生熱擴(kuò)散，當(dāng)熱擴(kuò)散達(dá)到芯 場(chǎng)直徑和數(shù)值孔徑已經(jīng)與光源光纖接近時(shí)對(duì)兩光纖進(jìn)行焊接，然后對(duì)焊接部分進(jìn)行涂覆以 完成超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷與光源的低損耗連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種小芯徑超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷及其制作方法。它是一種采用小芯徑超高數(shù)值孔徑的光纖加工，其光纖端被研磨成錐體形狀且錐尖角度在30°～120°之間并通過(guò)熱融擴(kuò)散數(shù)值孔徑匹配技術(shù)連接的小芯徑超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷。由于該光纖尖端的大數(shù)值孔徑而形成的發(fā)散光場(chǎng)可形成較大的光場(chǎng)梯度力勢(shì)阱，因而可以克服粒子的自重，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小粒子的單光纖三維俘獲，對(duì)俘獲粒子進(jìn)行固定、搬運(yùn)以及傳遞等操作。本發(fā)明所提供的小芯徑超高數(shù)值孔徑錐體光纖光鑷可用于活體生物細(xì)胞的俘獲或微小粒子的搬運(yùn)與組裝。
文檔編號(hào)G01N15/00GK101118300SQ20071007262
公開日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2007年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月8日
發(fā)明者劉志海, 軍 楊, 苑立波 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)