集成于单根光纤的多光镊制造技术

本发明专利技术提供的是一种集成于单根光纤的多光镊。它包括在一个公共包层中具有多个纤芯２的多芯光纤１，多芯光纤的一端通过研磨加工处理形成具有对称或非对称形状的多角楔形，其侧面３与光纤端面６组成大梯度光场转换区。与其他光镊相比，本发明专利技术的改进之处主要体现在，（１）发明专利技术了利用多芯光纤构成光镊，同时捕获多个微小粒子，通过纤芯数目的调整，实现光势阱和捕获粒子数量的变更；（２）发明专利技术了通过调整纤芯几何排布结构，实现不同空间几何排列的多个微小粒子的同时捕获；（３）基于光束全反射－折射聚焦原理，可以极大地提高光镊势阱的捕获力。基于上述改进，实现了多光纤光镊的组合与集成，同时使光镊的捕获特性得到极大改善。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种光镊，具体地说是一种组合式纤维集成多光纤光镊。(二)
技术介绍
光被认为是即具备粒子性又具备波动性的光子流，它既有质量也有动量。当 物体与光辐射场之间发生相互作用时，会受到光辐射力。在空间中强度剧烈变化 的光场，会将光辐射力转变成梯度力，把微粒稳定地捕获在光强的最大处，即光 束的焦点位置。利用这个性质可以实现对微粒非接触式的精密操控，能够完成这 种功能的装置被称为光镊。自1970年，美国贝尔实验室的Ashkin首次在实验中观 察到了激光的辐射力，并成功地利用激光完成了微粒悬浮的实验(1970，Phys. 丄e仏，24:156-159)。之后，光镊技术得到了极大的发展，使其能够广泛应用干各 种微小粒子的操作领域中，从小到纳米粒子，大到数百微米的粒子、从活体细胞 到DNA生物大分子链都可以用光镊进行捕获和操作。常规激光光镊的原理是将从激光器发出的激光束，经扩束器和光强调节器后 进入倒置生物显微镜系统，被双向色分束器和高倍显微物镜汇聚后形成光焦点光 阱，利用梯度场光阱的作用将样品中的微粒捕获于焦点附近。样品在显微镜照明 光源的照射下，经显微物镜、双向色分束器、减光器、分束器和目镜后，可用于 人眼观察样品。经双向色分束器透射后的光束，经普通分束器后部分被反射，并 经透镜将样品成像于CCD实现实时控制。这种光镊系统基于光学显微镜系统， 体积较大，结构固定，结构上乏灵活性，操作自由度较小，并且难于实现多光镊 集成与操作。光纤作为波导介质，其柔性特征更适合于在复杂空间中进行微操作的要求。 与常规光镊系统相比，光纤光镊具有结构简单、价格低廉、操作灵活的特点。2003 年加拿大的R.S.Taylor等人(美国专利，Method and device for manipulating microscopic quantities of materaial， US 6,941,033 B2， 2005)利用腐蚀和镀膜的方 法，制作了一种金属化中空光纤探针，巧妙地利用针尖的静电引力与光散射力达 到平衡，捕获和操纵了浸没在水中的玻璃微粒，实现了粒子的三维捕获。这种结构的光纤光镊，加工过程中需要进行多次腐蚀，步骤复杂，加工时间长，成品率 低；加工过程需要使用氢氟酸等有毒物质，对加工环境要求高。2006年，陆思等人公开了一种基于光波导的光钳系统(中国专利技术专利，光 波导光钳系统，专利号200510093339.1， 2006)，利用多根光纤将激光器发射 的能量光供给特殊形状的二维和三维光波导，传输光通过波导端部的聚焦形成光 势阱，实现用于粒子捕获、固定和移动。这种基于光束折射聚焦原理的光波导光 钳，聚焦光束的交角无法进一步增大，限制了对粒子捕获力的增加；构成光镊的 核心元件一多通道平面和立体光波导，加工与制备非常困难，价格昂贵；捕获 点距离波导光钳较近，并且波导中的每个波导通路都需要与光纤进行单独的连 接，几何尺寸无法进一步减小，限制了光钳在狭窄位置(如深孔中)对微粒的 操作。2006年申请人提出了一种基于熔融拉锥方法的光纤光镊抛物线形状的单光 纤光镊及其制作技术(抛物线形微结构单光纤光镊的熔拉制作方法，中国专利申 请号200610151087.8)。这种具有抛物线形状的光纤探针可以有效地实现粒子 的三维捕获，优点是结构简单，对光源的传播模式无特殊要求；制作方法简便， 对加工条件无特殊要求等。但进一歩的研究表明，此种结构的单光纤光镊的捕获 捕获力无法进一步增加，只能够实现较小尺度粒子的三维捕获，并且只能捕获单 一粒子。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多点捕获、体积小、结构简单、捕获特性优良的 集成于单根光纤的多光镊。本专利技术的目的是这样实现的-它包括在一个公共包层中具有多个纤芯2的多芯光纤1，多芯光纤的一端通 过研磨加工处理形成具有对称或非对称形状的多角楔形，其侧面3与光纤端面6 组成大梯度光场转换区。本专利技术可以包括这样一些特征1、 所述的纤芯2的数量大于等于4。2、 所述的多芯光纤l，纤芯2中的传输模式的特征是单模或者多模。3、 所述的多芯光纤1中纤芯2几何结构排列的特征是圆心对称的线形分布结构、圆心对称的三角分布结构、圆心对称的四角分布结构、圆心对称的六角结构、S型分布结构或其它非圆心对称与非对称结构中的一种。所述的纤维集成组合光纤光镊形状功能特征是如果假设光纤芯的折射率为 ，粒子捕获环境的工作的折射率为2，当研磨加工的楔角P《i —arcsin(,/2) 时，光纤芯中传输的光经过光场转换区，发生内部反射与外部折射的联合作用， 光束的偏折角为arcsin当研磨加工的楔角P〉i-arcsin(w,/J时，光纤芯中传输光在光场转换区界面处置发生向粒子捕获区的折射，光束的偏转角a为arcsin乂,2所述的纤维集成组合光纤光镊，如果光镊工作在水中，其形状功能特征是-当研磨加工的楔角^<23°时，光纤芯中传输的光经过光场转换区，发生内部反 射与外部折射的联合作用，光束的偏折角小于52°;当研磨加工的楔角^ > 24°时， 光纤芯中传输光在光场转换区界面处置发生向粒子捕获区的折射，光束的偏折角 小于19°;所述的纤维集成组合光纤光镊，若光纤芯的折射率为 ，粒子捕获的工作环 境的折射率为2，其加工方法的特征是满足a210。，因此，研磨加工的楔角^MH-頃^ 「 ，. — 、 一 ， sin80。的氾围为arcsin, 、/2 -丄sin 10°- ar啤—2 ;所述的纤维集成组合光纤光镊，若光镊工作在水中，其加工方法的特征是满足a^10。，研磨加工的楔角^的范围为5°~31°。为了说明本专利技术所公开的纤维集成组合光纤光镊的制作过程及其与工作原理，以最简单的轴心对称的四芯光纤为例加以说明法国电信和美国NASA分别生产的四芯光纤的结构如图1、图2所示，在外形 尺寸为125微米的公共包层中分别含有芯间距为52微米和50微米的四个光纤芯， 其几何分布关于光纤的轴心对称，纤芯的直径为9微米。基于上述四芯结构的光 纤，可以构造多光纤光镊。其基本的工作原理是，将由光源发出的大功率激光均 衡地注入到四芯光纤的一端(未加工端)，在每个纤芯2中激励起光传输模。由于光纤经过侧向研磨，使传输光与研磨侧面3的交角不再是90。，光束入射角与光纤侧向研磨角e互余。假设光纤芯的折射率为,，光镊工作环境的折射率为W2，当入射角/ 小于全反射临界角时，纤芯的传输光束将直接折射进入工作环境中， 此时光束4A或者4B偏离原传输方向的角度a为arcsini cos ^、, ，当入2射角大于全反射临界角时，纤芯中传输光束将首先发生全反射，然后光束在光 纤端面6处发生折射进入光镊工作的环境内，此时光束4C或者4D偏离原传输方向的角度为arcsinw，丄sin 29可见，研磨角度《较小时，光束4C或者4D发生全反射——折射效应，且光束偏转角随着研磨角度^的增加而增加；当研磨角^ 大约为一个临界值时，光束4A或者4B只产生折射效应，且光束偏转角随着研 磨角度^的增加而减小。光束不同的传输路径，完全取决于光纤侧向的研磨角， 并且最大偏转角《_出现在光束入射角刚好为全反射临界角时。无论是直接折射的光束4A，还是全反射——折射的光束4C，进入捕获本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成于单根光纤的多光镊，其特征是：它包括在一个公共包层中具有多个纤芯（２）的多芯光纤（１），多芯光纤的一端通过研磨加工处理形成具有对称或者非对称形状的多角楔形，其侧面（３）与光纤端面（６）组成大梯度光场转换区。

【技术特征摘要】
1、一种集成于单根光纤的多光镊，其特征是它包括在一个公共包层中具有多个纤芯(2)的多芯光纤(1)，多芯光纤的一端通过研磨加工处理形成具有对称或者非对称形状的多角楔形，其侧面(3)与光纤端面(6)组成大梯度光场转换区。2、 根据权利要求1所述的集成于单根光纤的多光镊，其特征是所述的纤芯(2)的数量大于等于4。3、 根据权利要求1或2所述的集成于单根光纤的多光镊，其特征是所述 的多芯光纤(l)，纤芯(2)中的传输模式的特征是单模或者多模。4、 根据权利要求1或2所述的集成于单...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑立波，杨军，刘志海，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]