本发明专利技术提供的是全光纤可调微粒搅拌装置。其特征是：它由波长可调激光器、单芯光纤、螺旋芯光纤、毛细管光纤以及微纳转子组成。将单芯光纤、螺旋芯光纤、毛细管光纤依次熔融焊接后连为一体，利用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，由于螺旋芯光纤对特定光波具有调制作用，当输出为高斯光束时，在管状包层中传输的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的高斯光束，实现对处于轴线上的微纳转子的光捕获功能；当输出为涡旋光束时，则对微纳转子光捕获的同时实现定轴旋转的功能，进而对处于空气孔中的溶液实现搅拌功能。本发明专利技术可用于微小粒子的光操纵以及光纤集成器件应用等领域。
【技术实现步骤摘要】
全光纤可调微粒搅拌装置(一)
本专利技术涉及的是一种基于单光纤集成式的微纳转子操纵器件。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、振荡和旋转等等，属于光纤
(二)
技术介绍
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[中国专利技术专利CN1740831A]，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[OpticsLetters,1993,18(21):1867-9，andOpticsExpress,2006,14(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[OpticsExpress,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。生成涡旋光束的最常见方法是使用空间光调制器(OpticsExpress,2008,16(21):16984-16992)，然而空间光调制器一般体积庞大，价格昂贵，并且需要在自由空间中实现光耦合，这样就带来许多不便。另外的一种涡旋光束生成方法则是利用手性光纤实现。第一类材料(主要为折射率)手性涡旋光纤。美国专利(US20080101754)和欧洲专利(EP1705503B1)公开了一种纤芯折射率仅随方位角变化的梯度折射率光纤，这种光纤可看成是纵向伸长的空间相位板，利用该光纤即可生成涡旋光束。第二类为空间结构手性涡旋光纤。美国专利(US6839486)公开了一种对偏芯、椭圆芯、矩形芯等扭转而成的手性结构光纤，该光纤不但可以实现光栅功能，同样可以生产涡旋光束，但这些光纤仅为单螺旋、双螺旋和四螺旋结构。公开号为CN1963583A的专利技术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的中国专利技术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的中国专利技术专利文件中又给出了一种双芯光纤光镊；公开号为CN101339274A的专利技术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；公开号为CN102231292B的中国专利技术专利文件中给出了一种双向锥形光纤微小粒子旋转器，利用锥体状光纤纤芯中的传输光投射出包层并在包层表面形成倏逝场，所产生的光辐射力作用在微小粒子上使之旋转。为了拓展光纤器件的结构和功能，本专利技术对光纤结构进行了独特的设计，利用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，由于螺旋芯光纤对特定光波具有调制作用，当输出为高斯光束时，在管状包层中传输的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的高斯光束，实现对处于轴线上的微纳转子的光捕获功能；当输出为涡旋光束时，则对微纳转子光捕获的同时实现定轴旋转的功能，进而对处于空气孔中的溶液实现搅拌功能。本专利技术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转子提供了一种全新的思路。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用螺旋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和光束的调制，并对多个微纳转子实施稳定光捕获和光操纵的单光纤集成器件。本专利技术的目的是这样实现的：该微粒搅拌装置是由波长可调激光器、单芯光纤、螺旋芯光纤、毛细管光纤以及微纳转子组成。单芯光纤由纤芯和包层组成，将偏芯光纤同轴热熔扭转制得螺旋芯光纤，螺旋芯光纤由中央螺旋纤芯以及包层组成，毛细管光纤由空气孔和管状包层组成。将单芯光纤、螺旋芯光纤、毛细管光纤依次熔融焊接后连为一体，在螺旋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。当单芯光纤的纤芯中特定波长λ1的传导光波经过螺旋芯光纤的中央螺旋纤芯后，中央螺旋纤芯不会对此波长的光波进行相位调制，从而输出的高斯光束经过锥型过渡区时被分割形成空心光束，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高斯光束，从而同时对多个微纳转子实施光捕获功能，从而把多个微纳转子固定在光轴上，实现定轴功能，但由于强汇聚高斯光束不具有轨道角动量，因此该光束不能使微纳转子旋转；当利用波长可调激光器向螺旋芯光纤的中央螺旋纤芯中通入特定波长λ2的光波后，由于中央螺旋纤芯会对该波长产生周期性调制，使得中央螺旋纤芯传输的低阶线偏振模式可转化为高阶的相位涡旋模式，经过锥形过渡区的分割以及管状包层的反射和折射后的光波在空气孔中或者纤端附近形成在光轴具有多个强汇聚点的相位涡旋光束，同时对多个微纳转子实施光捕获，实现定轴功能，并且由于相位涡旋光束具有轨道角动量，其产生的光辐射压力的角向分力可以提供多个微纳转子旋转的扭转力矩，因此同时还实现对多个微纳转子旋转的功能；这样，通过对波长λ1和λ2的切换，就可控制微纳转子处于非旋转和旋转状态，从而实现微纳转子对周围溶液的搅拌可调功能。毛细管光纤的纤端可以采用圆锥台纤端结构，圆锥台纤端的底角θ满足以下关系：θ≥arcsin(nm/n1)(1)其中nm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，产生可捕获微纳转子的光阱。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。下面将详细阐述螺旋芯光纤的中央少模纤芯结构实现涡旋光束生成的原理。由于螺旋纤芯的模式截止，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.全光纤可调微粒搅拌装置，其特征是：它由波长可调激光器(1)、单芯光纤(2)、螺旋芯光纤(3)、毛细管光纤(4)以及微纳转子(5)组成，单芯光纤(2)由纤芯(201)和包层(202)组成，将偏芯光纤同轴热熔扭转制得螺旋芯光纤(3)，螺旋芯光纤(3)由中央螺旋纤芯(301)以及包层(302)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、螺旋芯光纤、毛细管光纤依次熔融焊接后连为一体，在螺旋芯光纤(3)与毛细管光纤(4)的焊点(8)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)的纤芯(201)中特定波长λ
【技术特征摘要】
1.全光纤可调微粒搅拌装置，其特征是：它由波长可调激光器(1)、单芯光纤(2)、螺旋芯光纤(3)、毛细管光纤(4)以及微纳转子(5)组成，单芯光纤(2)由纤芯(201)和包层(202)组成，将偏芯光纤同轴热熔扭转制得螺旋芯光纤(3)，螺旋芯光纤(3)由中央螺旋纤芯(301)以及包层(302)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、螺旋芯光纤、毛细管光纤依次熔融焊接后连为一体，在螺旋芯光纤(3)与毛细管光纤(4)的焊点(8)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)的纤芯(201)中特定波长λ1的传导光波经过螺旋芯光纤(3)的中央螺旋纤芯(301)后，中央螺旋纤芯(301)不会对此波长的光波进行相位调制，从而输出的高斯光束(6)经过锥型过渡区(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(401)内或者纤端附近形成在光轴上具有多个汇聚点的强汇聚高斯光束(7)，从而同时对多个微纳转子(5)实施光捕获功能，从而把多个微纳转子(5)固定在光轴上，实现定轴功能，但由于强汇聚高斯光束(7)不具有轨道角动量，因此该光束不能使微纳转子(5)旋转；当利用波长可调激光器(1)向螺旋芯光纤(3)的中央螺旋纤芯(301)中通入特定波长λ2的光波后，由于中央螺旋纤芯(301)会对该波长产生周期性调制，使得中央螺旋纤芯(301)传输的低阶线偏振模式可转化为高阶的相位涡旋模式(9)，经过锥形过渡区(403)的分割以及管状包层(402)的反射和折射后的光波在空气孔(401)中或者纤端附近形成在光轴具有多个强汇聚点的相位涡旋光束(10)，同时对多个微纳转子(5)实施光捕获，实现定轴功能，并且由于相位涡旋光束(10)具有轨道角动量，其产生的光辐射压力的角向分力可以提供多个微纳转子(5)旋转的扭转力矩，因此同时还实现对多个微纳转子(5)旋转(11)的功能；这样，通过对波长λ1和λ2的切换，就可控制微纳转子(5)处于非旋转和旋转状态，从而实现微纳转子(5)对周围溶液的搅拌可调功能。
2.根据权利要求1所述的全光纤可调微粒搅拌装置，其制备方法如下：(1)热熔扭转：用扭转机将偏芯光纤同轴周期性扭转数个螺距并进行...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓洪昌，王瑞，罗中岳，张文涛，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
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