光波导光钳系统技术方案

本发明专利技术属于光波导器件领域的一种光波导光钳系统。是在机械装置上固定光波导光钳，光波导光钳与光纤阵列相连接，样品台设置在光波导光钳和显微镜之间，显微镜依次和ＣＣＤ摄像机、监视器连接；激光器为捕获光源，光纤阵列的尾纤通过光纤耦合器将激光器的输出光耦合到光纤阵列中，再进入光波导光钳中，控制电路与激光器连接。本发明专利技术中由机械装置控制光波导光钳的空间位置，由控制电路控制光波导光钳的通光情况，由此实现光波导光钳对微粒的捕获、固定、移动和旋转操纵。光波导光钳系统中，捕获光学系统与观察光学系统完全分离，捕获光学系统可以实现模块化。在实际应用中，可以方便地调整系统结构或结合使用其它测量设备，系统柔性高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光波导器件领域，特别涉及一种光波导光钳系统。
技术介绍
传统光钳基于光学显微镜系统构建，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，对微粒进行捕获和操纵。传统光钳可以实现几十纳米至几十微米微粒的捕获，技术上已经相当成熟和完善，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。现有光纤光钳是将两根单模光纤的末端面精磨成逐渐变细的半球面，使得出射光束具有弱聚焦特性，将这两根光纤成一定光轴夹角放置，交叠光场形成的光阱可以实现微粒的捕获和悬浮。光纤光钳结构简单，可以做成微型探头形式，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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出将光波导技术与光钳技术结合的一种光波导光钳系统。其特征在于，所述光波导光钳系统包括以下部分，在机械装置9上固定光波导光钳6，机械装置9控制光波导光钳6的空间位置，光波导光钳6与光纤阵列4相连接，光纤阵列4上等间距排布着光纤分支5，在连接处，光波导光钳6上光波导分支7的间距与光纤阵列4上光纤分支5的间距相等；激光器1为捕获光源，光纤阵列4的尾纤3通过光纤耦合器2将激光器1的输出光耦合到光纤阵列4中，再进入光波导光钳6中，控制电路10与激光器1连接，控制光波导光钳6的通光情况；样品台11设置在光波导光钳6和显微镜12之间，显微镜12依次和CCD摄像机13、监视器14连接；其中，光源可采用带尾纤的二极管激光器。光波导光钳6是系统的关键器件。所述光波导光钳包含一个或多个光波导组，一个光波导组由一组结构相同、轴对称排布的光波导分支7构成，光波导组8由两条光波导分支7组成。其中，单个光波导分支7的出射光束具有聚焦特性。一个光波导组8中各条光波导分支7的通光情况是相同的，因此具有相同的出射光场，这些光场在对称轴上一点相交叠，形成一个捕获微粒15的光阱。光波导光钳6所包含的一个或多个光波导组8在微粒15上形成一个或多个光阱，实现对微粒15的捕获、固定、移动和旋转操纵。所述光波导光钳6，对于平面光波导光钳6中的一个光波导组8，它包含位于一个平面内的两条光波导分支7。而对于三维光波导光钳6，一个光波导组8包含的光波导分支数≥2，当＝2时，光波导分支位于一个平面内，当＞2时，光波导分支排布于三维空间中。这种新型光钳具有集成化的结构，并且可以在一个光钳上集成多种微粒操纵功能。为了说明本专利技术的工作原理，下面针对最简单的情况，即只具有一个光波导组的平面光波导光钳展开说明。光波导光钳6上包含一个光波导组，这个光波导组包含关于轴O对称的两条光波导分支7A和光波导分支7A′。与光纤光钳中的半球形自透镜光纤相类似，光波导分支A和A′的出射端经过设计，可以使得其出射光具有聚焦特性，对微粒15分别施加将其推向光传输方向的散射力(即轴向力FaxA和FaxA′)，和将其推向光场增强方向的梯度力(即径向力FtrA和FtrA′)。由于A和A′的对称性，两组散射力和梯度力在水平方向上的分力达到平衡，垂直方向上的分力与微粒15的重力和浮力达到平衡。可以看到，A和A′的出射光束在对称轴O上相交叠，形成了一个光阱，微粒15在此处受到了光场的束缚力并达到了平衡，从而实现了微粒15的捕获和固定。通过机械装置移动光波导光钳6时，捕获于光阱中的微粒15将在束缚力的作用下随之移动，即实现了微粒15的移动操纵。本专利技术具有如下特点(1)光波导光钳，尤其是三维光波导光钳，设计自由度高，同一光钳可以适用于不同微粒，并且可以在一个光钳上集成多种微粒操纵功能，包括捕获、固定、移动和旋转等。(2)光波导光钳的结构是固定的，光阱性质在设计中确定，并在加工中得以保证，因此捕获场位置和捕获力分布均十分稳定。光纤光钳可以看作是一种特殊形式的光波导光钳，而光波导光钳克服了光纤光钳操纵微粒过程中因光纤的抖动造成的捕获场不稳定问题。(3)光波导光钳具有集成化的结构，简单而且紧凑，可以做成微探头形式，通过外部机械装置使光波导光钳整体移动，可以灵活控制光阱的位置，从而实现光阱中被捕获微粒的固定、移动和旋转等操纵。(4)捕获场由光波导光钳所包含的一个或多个光波导组中光波导分支出射光束的聚焦光场交叠而成，借助外部电路控制光波导组的通光情况并调制光源的强度，可以方便而灵活地调节捕获场的强度及其分布。(5)由于光波导光钳捕获场的位置和强度分布完全实现了外部控制，操作中捕获光学系统无需进行光路调节，而归结为外部机械和电路操作，因此相比传统光钳和光纤光钳，光波导光钳对操作技能的要求较低。(6)光波导光钳系统中，捕获光学系统与观察光学系统完全分离，捕获光学系统可以实现模块化。另一方面，在实际应用中，可以方便地调整系统结构或结合使用其它测量设备，系统柔性高。附图说明图1为光波导光钳系统示意图。图2为光波导光钳捕获原理示意图。图3为本专利技术的实施例一平面光波导光钳捕获微粒。图4为本专利技术的实施例二平面光波导光钳移动微粒。图5为本专利技术的实施例三平面光波导光钳旋转微粒。图6(a)、(b)为本专利技术的实施例五三维光波导光钳捕获微粒。图7(a)、(b)为本专利技术的实施例六三维光波导光钳旋转微粒。具体实施例方式本专利技术提出将光波导技术与光钳技术结合的一种光波导光钳系统。图1所示为光波导光钳系统示意图。该光波导光钳系统包括以下部分，所述光波导光钳系统包括以下部分，在机械装置9上固定光波导光钳6，机械装置9控制光波导光钳6的空间位置，光波导光钳6与光纤阵列4相连接，光纤阵列4上等间距排布着光纤分支5，在连接处，光波导光钳6上光波导分支7的间距与光纤阵列4上光纤分支5的间距相等；激光器1为捕获光源，光纤阵列4的尾纤3通过光纤耦合器2将激光器1的输出光耦合到光纤阵列4中，再进入光波导光钳6中，控制电路10与激光器1连接，控制光波导光钳6的通光情况；样品台11设置在光波导光钳6和显微镜12之间，显微镜12依次和CCD摄像机13、监视器14连接。其中，光源可采用带尾纤的二极管激光器。光波导光钳6是系统的关键器件。所述光波导光钳6包含一个或多个光波导组8，一个光波导组8由一组结构相同、轴对称排布的光波导分支7构成，光波导组8由两条光波导分支7组成。其中，单个光波导分支7的出射光束具有聚焦特性。一个光波导组8中各条光波导分支7的通光情况是相同的，因此具有相同的出射光场，这些光场在对称轴上一点相交叠，形成一个捕获微粒15的光阱。光波导光钳6所包含的一个或多个光波导组8在微粒15上形成一个或多个光阱，实现对微粒15的捕获、固定、移动和旋转操纵。所述光波导光钳6，对于平面光波导光钳6中的一个光波导组8，它包含位于一个平面内的两条光波导分支7。而对于三维光波导光钳6，一个光波导组8包含的光波导分支数≥2，当＝2时，光波导分支7位于一个平面内，当＞2时，光波导分支排布于三维空间中。这种新型光钳具有集成化的结构，并且可以在一个光钳6上集成多种微粒操纵功能。为了说明本专利技术的工作原理，下面针对最简单的情况，即只具有一个光波导组8的平面光波导光钳6展开说明(如图2所示)。光波导光钳6上包含一个光波导组8，这个光波导组8包含关于轴O对称的两条光波导分支7A和光波导分支7A′。与光纤光钳中的半球形自透镜光纤相类似，光波导分支A和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光波导光钳系统，其特征在于：所述光波导光钳系统包括以下部分，在机械装置（９）上固定光波导光钳（６），机械装置（９）控制光波导光钳（６）的空间位置，光波导光钳（６）与光纤阵列（４）相连接，光纤阵列（４）上等间距排布着光纤分支（５），在连接处，光波导光钳（６）上光波导分支（７）的间距与光纤阵列（４）上光纤分支（５）的间距相等；激光器（１）为捕获光源，光纤阵列（４）的尾纤（３）通过光纤耦合器（２）将激光器（１）的输出光耦合到光纤阵列（４）中，再进入光波导光钳（６）中，控制电路（１０）与激光器（１）连接，控制光波导光钳（６）的通光情况；样品台（１１）设置在光波导光钳（６）和显微镜（１２）之间，显微镜（１２）依次和ＣＣＤ摄像机（１３）、监视器（１４）连接；其中，光源可采用带尾纤的二极管激光器；光波导光钳（６）是系统的关键器件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陆思，杨昌喜，周兆英，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]