基于同轴三波导光纤的微球自组装激光器制造技术

本发明专利技术提供的是一种基于同轴三波导光纤的微球自组装激光器系统。该“光纤‑微球”激光器主要是由以下四个部分组成：(1)具有新型结构的同轴三波导光纤，该光纤端被抛磨成旋转对称的锥体圆台形，制备成光纤光镊；(2)微球形光学谐振腔，腔内具有光学放大功能的增益介质；(3)包括可提供微球捕获光动力的光源和增益介质激发光源；(4)微球输出激光的探测光谱仪。细胞内部微球光学谐振腔的输出光谱对细胞内部胞液等环境物理参量微弱的变化非常敏感，可以通过多芯锥体光纤的激光输出信号得到放大测量。本发明专利技术可用于单细胞捕获、细胞激光光谱测量，可广泛用于单细胞操纵、传感、测量及分析技术领域。

【技术实现步骤摘要】
基于同轴三波导光纤的微球自组装激光器(一)
本专利技术涉及的是一种基于同轴三波导光纤的微球自组装激光器，可用于微球捕获、微球激光光谱测量及微球激光器自组装，尤其适用于单细胞操纵、测量及分析
(二)
技术介绍
1960年美国科学家T.H.梅曼等人成功创造出世界上第一台红宝石晶体激光器，1961年A.贾文等人成功研制出氦氖激光器，1962年R.N.霍耳等人研制出砷化镓半导体激光器。激光器的诞生标志着人们有能力调控多个光子的发射方向、相位、频率和偏振等，使人们对光的认识和应用达到了更高的水平。激光器在微型化和交叉学科方向表现出超乎想象的应用价值，因此光流体激光器这一领域便应运而生。光流体是结合光学和流体各自独特的优势而形成的一个多学科交叉的新型研究领域，其概念在2003年由美国加州理工大学提出，生物机体因存在天然的液体环境，在生物医疗诊断、传感探测和成像等领域有着非常广泛的应用前景。细胞激光器是一种特殊的光流体激光器(激光与光电子学进展，细胞激光器研究进展及应用综述，2018,55：120001)，可以在体外模拟生物体生存的液体环境或者直接在生物体内，在外界能量的激励下实现细胞的激光输出。相比于目前生物医学各个领域中常用到的荧光信号探测方法,采用激光信号探测的方式具有其自身独特的优势，首先，激光信号是受激辐射光不同于荧光信号的自发辐射光，在经过谐振腔的信号放大反馈后会有良好的方向性；其次，当激励源激光信号高于阈值时，工作粒子输出的信号能量远高于荧光信号，所以激光信号探测的分辨率和灵敏度也会远高于荧光探测，并且，激光信号输出光谱线宽与发光材料的荧光光谱相比谱宽极窄，这样有利于在样品探测过程进行及时响应。细胞激光器中常用的增益介质一般为荧光材料，如荧光蛋白(NATUREPHOTONICS,Single-cellbiologicallasers,2011,5:406-410)、荧光染料(Bio-switchableoptofluidiclasersbasedonDNAHollidayjunctions,2012,12(19):3673-3675)、荧光素、量子点、维生素、及荧光能量共振转移对等，将增益介质与细胞进行有机整合，其吸收激发能量后发射的增益信号经光学谐振腔不断振荡反馈放大，当增益大于腔内的总损耗时，便会形成激光输出。2001年6月，哈佛大学的Gather等人使人胚肾细胞可以发射出激光信号(NATUREPHOTONICS,Single-cellbiologicallasers,2011,5:406-410)，装置中激励光源需经过显微物镜聚焦使光斑缩小至单个细胞尺寸，并利用两片高反射镜粘合出一个空间略大于细胞尺寸的法布里-珀罗谐振腔，用以限制细胞在激励光的位置内，所以该装置体积庞大，空间激励光的方向和位置不便于对单细胞做出调整，只能借助外界空间限制的方法来捕获细胞。2015年，哈佛大学医学院的Humar等人研制了多款基于回音壁模式微腔的细胞激光器(NATUREPHOTONICS,Intracellularmicrolasers,2015,9:572-576)，证明了在天然的细胞内也可实现激光输出，其人为在细胞内置入一个规则圆形脂滴作为回音壁模式，输出信号经芯径200μm的多模光纤耦合至光谱探测器，但该装置体积较大，并且接收信号所使用的光纤较粗，也不具备对细胞精准捕获及调控细胞周围温度等微操控功能，使得激发光束照射细胞这一操作变的不够精确，细胞在液体中的微小位移会导致激励光束无法准确的耦合进脂滴，使增益信号无法连续增强，同时也增加了实验的操作难度。专利号为CN201510295509.8的专利技术专利提出一种可调谐液体微球激光器，该专利中需要两个光纤光镊同时对微球进行捕获操作，并采用一端光纤输出对向另一端光纤接收的方式收集信号光；专利号为CN201510267391.8的专利技术专利提出一种液滴回音壁模式激光器及其制作方法，该专利中需要通过单模光纤和环形芯光纤热熔拉锥的方式将输入光耦合进环形芯中，液滴同样需要与微纳光纤接触才能够将信号光传输出；专利号为CN201510271055.0的专利技术专利提出一种多波长液滴激光器，该专利中由于需要对多个液滴进行激发检测，与上一个专利相同的，每个液滴均需要与一个微纳光纤接触输出，这种方法无疑增加了器件的难度，众所周知，微纳光纤的尺寸只有几个微米，极易受到外界环境的影响，并且很难长时间保持光纤表面的洁净，而且该专利中需要多个液滴线性排布，也就意味着需要多个微纳光纤线性分布，由于液滴的尺寸较小，这也对实验操作提出了极高的要求。专利号为201810169543.4的专利技术专利提出基于同轴双波导光纤的活体单细胞多功能谱仪，该专利中所提到的细胞微光手与本专利所使用的光纤捕获细胞原理相近，同样是用环形芯进行捕获，但装置结构和中心纤芯功能各有不同，本专利技术不但丰富了光纤的结构，也增加了光纤的多种新型功能，同时又优化了光纤光镊光纤端的加工结构，进而优化了对细胞的捕获光场，与侧抛耦合的方法相比，改进了入射光与环形芯的耦合方式，使实验的可操作性更强。与以上专利技术专利相比，本专利技术提出的基于新型同轴三波导光纤的微球自组装激光器，光纤的新型结构包括一个中间纤芯和两个同轴的环形芯，将细胞捕获、细胞姿态微控、细胞周围的温度调控、增益物质的激发和光信号接收等多个功能集成在同一个光纤内，并优化了光纤光镊对细胞的捕获光场，此专利技术将对活体单细胞的分析和检测和对揭示生命活动的本质和规律，提供更可靠的科学依据。本专利技术在以上背景之下，提出一种基于新型同轴三波导光纤的微球自组装激光器。一方面其能够通过环形纤芯中的光束传输不同的光波段，从而完成微球的捕获、操作光场的分布和微球激光的激发，因此具备光场调控和激发的特性；另一方面，中间纤芯能够传输捕获激光完成微球在径向位置的微小位移，具对微球进行高精度的姿态和位置调控，使激发光路与谐振微球完成准确的对接，另外，为了实现系统稳定的运行，该中间纤芯还具备能够进行对微球周围环境温度的监测与调控功能。此装置采用新型同轴三波导光纤，具备多光路高度集成化的特点，具有很小的体积和可弯曲的灵活特性，为类似于微球的活体单细胞的生命科学问题的探索与研究提供了重要的多功能工具，本专利技术是学科交叉融合发展趋势下的一种新型激光器，因此具有十分重要的意义与价值。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于同轴三波导光纤的微球自组装激光器，可用于单细胞捕获、细胞激光光谱测量。一种基于新结构同轴三波导光纤的微球自组装型“光纤-微球”激光器，该“光纤-微球”激光器主要是由以下四个部分组成：(1)具有新型结构的同轴三波导光纤，该光纤端被抛磨成旋转对称的锥体圆台形，制备成光纤光镊；(2)微球形光学谐振腔，腔内具有光学放大功能的增益介质，可以分布在球内、球外或球壳表层；(3)包括可提供波长为980nm的微球捕获光动力的光源、中心波长为1550nm的调控温度的宽谱光源和波长在460-670nm的增益介质激发光源；(4)微球输出激光的探测光谱仪。所述系统中：捕获光束由标准单模光纤17从捕获光源2引出，经由1×2耦合器5分为两路光，一路通过4-2衰减器以及多芯光纤分路器8后再进入同轴三波导光纤9的其中一个环形纤芯9-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于新结构同轴三波导光纤的微球自组装型激光器，该“光纤‑微球”激光器主要是由以下四个部分组成：(1)具有新型结构的同轴三波导光纤，该光纤端被抛磨成旋转对称的锥体圆台形，制备成光纤光镊；(2)微球形光学谐振腔，腔内具有光学放大功能的增益介质，可以分布在球内、球外或球壳表层；(3)包括可提供波长为980nm的微球捕获光动力的光源和波长在460‑670nm的增益介质激发光源；(4)微球输出激光的探测光谱仪。所述激光器系统中：捕获光束由标准单模光纤17从捕获光源2引出，经由1×2耦合器5分为两路光，分别通过4‑2和4‑3衰减器以及多芯光纤分路器8后再分别进入同轴三波导光纤9的其中一个环形纤芯9‑1和中间纤芯9‑3中。激励光束由标准单模光纤17从激励光源1引出，经过衰减器4‑1进入多芯光纤分路器8，然后进入同轴三波导光纤9的另一个环形纤芯9‑2中。样品池中装满微球水溶液并稳定在载物台11上，光纤光镊10浸在的样品池中，用于实现同轴三波导光纤探针对微球捕获和操控，精密的位移操作过程通过显微物镜12，CCD13和计算机14组成的成像模块进行实时成像。与此同时，探测到的微球激光信号通过三端环形器6‑1进入光谱仪15接收。液体中的微球通过被具有旋转对称锥体圆台形的光纤端光纤光镊10捕获，通过光纤光镊的锥体环形芯9‑1和中间光纤芯9‑3的捕获力联合操控，实现对微球的姿态和位置进行精确的调整，使得环形芯9‑2所发射的激发光与谐振微球完成准确的对接，满足向微球谐振腔提供激发光源和输出待探测的谐振增强荧光信号的条件，从而自组装成为一个新型的“光纤‑微球”激光器。在上述“光纤‑微球”激光器的系统结构中，其中一个锥体圆环波导起到对微球进行光动力捕获的作用，而中间纤芯波导对被捕获的微球提供了一个光辐射推力的作用，通过这两个光动力调控，使得微球与另一个锥体环形波导发出的激发光能够实现准确的耦合，从而实现对微球的谐振激发和激光信号的输出，完成对细胞内部胞液折射率微小变化等参量的传感与测量。...

【技术特征摘要】
1.一种基于新结构同轴三波导光纤的微球自组装型激光器，该“光纤-微球”激光器主要是由以下四个部分组成：(1)具有新型结构的同轴三波导光纤，该光纤端被抛磨成旋转对称的锥体圆台形，制备成光纤光镊；(2)微球形光学谐振腔，腔内具有光学放大功能的增益介质，可以分布在球内、球外或球壳表层；(3)包括可提供波长为980nm的微球捕获光动力的光源和波长在460-670nm的增益介质激发光源；(4)微球输出激光的探测光谱仪。所述激光器系统中：捕获光束由标准单模光纤17从捕获光源2引出，经由1×2耦合器5分为两路光，分别通过4-2和4-3衰减器以及多芯光纤分路器8后再分别进入同轴三波导光纤9的其中一个环形纤芯9-1和中间纤芯9-3中。激励光束由标准单模光纤17从激励光源1引出，经过衰减器4-1进入多芯光纤分路器8，然后进入同轴三波导光纤9的另一个环形纤芯9-2中。样品池中装满微球水溶液并稳定在载物台11上，光纤光镊10浸在的样品池中，用于实现同轴三波导光纤探针对微球捕获和操控，精密的位移操作过程通过显微物镜12，CCD13和计算机14组成的成像模块进行实时成像。与此同时，探测到的微球激光信号通过三端环形器6-1进入光谱仪15接收。液体中的微球通过被具有旋转对称锥体圆台形的光纤端光纤光镊10捕获，通过光纤光镊的锥体环形芯9-1和中间光纤芯9-3的捕获力联合操控，实现对微球的姿态和位置进行精确的调整，使得环形芯9-2所发射的激发光与谐振微球完成准确的对接，满足向微球谐振腔提供激发光源和输出待探测的谐振增强荧光信号的条件，从而自组装成为一个新型的“光纤-微球”激光器。在上述“光纤-微球”激光器的系统结构中，其中一个锥体圆环波导起到对微球进行光动力捕获的作用，而中间纤芯波导对被捕获的微球提供了一个光辐射推力的作用，通过这两个光动力调控，使得微球与另一个锥体环形波导发出的激发光能够实现准确的耦合，从而实现对微球的谐振激发和激光信号的输出，完成对细胞内部胞液折射率微小变化等参量的传...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑婷婷，张晓彤，苑立波，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45