用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊及其制作方法技术

本发明专利技术提供的是一种用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊及其制作方法。它包括光纤，所述的光纤是在光纤公共包层中含有两个独立光纤芯的双芯光纤，光纤的一端为熔融拉锥及烧结而成的锥体光纤尖，锥体光纤尖的端部带有微透镜。利用本发明专利技术的方法制作的双芯光纤光镊，它存在两个光场转换区，一个是双光束交叉大角度导引汇集区，通过锥角快速变化的锥体光纤改变了双芯光纤每个纤芯中光波的传导方向，将两束光导引到光纤锥体尖端；另一个是形成大梯度光场的光场压缩区，通过光纤尖端微透镜实现两束光的光场压缩。本发明专利技术所提供的双芯光纤光镊可用于活体生物细胞的俘获或微小粒子的固定、搬运与组装。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种光镊，具体地说是一种双芯光纤光镊，本专利技术也涉及之 中光镊的制作方法。属于光纤
(二)
技术介绍
自从Ashkin (1970， Phys. Z/.， 24:156-159; 1987， iVamw， 330: 769-771)首次发现光场梯度力可捕获微小粒子并提出光镊这一概念以来，光镊技术已广泛 应用于各种领域中。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。随着研究的深入以及技术的进步， 光镊技术也已经由最初的单光束光镊发展到全息光镊技术、分时扫描光镊技术、 特殊光束光镊技术等。光镊是利用光场强度空间变化形成的梯度力把微粒稳定地捕获在光场最强 处，即光束的焦点位置，当激光束移动时就可以带动微粒一起运动，实现对微粒 的精密操控。传统光镊是基于光学显微镜系统构建的，它通过显微物镜将激光光 束聚焦，利用聚焦中心附近的梯度力场形成光阱，实现对微粒的捕获和操纵。传 统光镊技术上已经相当成熟和完善，但其结构复杂，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，样品移动自由度小。由于其具有几何尺寸 大和工作距离短的特性，因而限制了普通光镊的应用，使其很难操纵位于狭窄位 置(如深孔中)的微粒，也不易实现多光镊操纵。这些固有的缺点限制了其作 为生物粒子微操纵工具的应用。新发展的光纤光镊技术较好地解决了这些问题。 利用两根纤芯相对的单锥形透镜单模光纤光镊能够捕获微米量级的聚苯乙烯球。 但利用双光纤构成的光镊要求光纤出射的光束在空间上对准、移动时两根光纤必 须同时动作，操作上仍存在诸多不便。容易想象，如果能够利用单根光纤构成光 镊，则操作会更为简单，系统成本也会大大降低。但一个单锥形透镜光纤对粒子 捕获作用不足以抵消粒子的重力，不能实现粒子的三维捕获。2003年加拿大的R.S.Taylor等人((9/7f. ￡jcp. 11:2775-2782， 2003)利用腐蚀 和镀膜的方法，制作了一种中空的金属化光纤探针尖，巧妙的利用针尖的静电引 力与光的散射力达到平衡，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。但这种方法加工过程中需要进行多次腐蚀，步骤复杂，加工时间长， 而且加工过程需要使用氢氟酸等有毒物质，所以对加工环境要求高。2006年专利技术人提出了基于熔融拉锥方法的光纤光镊制作技术和抛物线形状 的单光纤光镊，并申请了名称为抛物线形微结构单光纤光镊的熔拉制作方法 的专利技术专利(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。但进一步的研究表明，此种 结构的单光纤光镊，由于光纤中只含有一个纤芯，传输光从抛物线结构的光纤尖 端出射后，在纤针尖端处形成的束腰光场的束腰半径受到限制。因此，其捕获力 无法进一步增加，只能够实现较小尺度粒子的三维捕获。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种捕获力大、体积小，结构简单，制作容易，操作 方便，样品移动自由度大，造价低廉，可多光镊联合操作的用来俘获微小粒子的 双芯单光纤光镊本专利技术的目的还在于提供一种用来俘获微小粒子的双芯单光纤 光镊的制作方法。本专利技术的目的是这样实现的用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊的组成包 括光纤，所述的光纤是在光纤公共包层中含有两个独立光纤芯的双芯光纤，光纤 的一端为熔融拉锥及烧结而成的锥体光纤尖，锥体光纤尖的端部带有微透镜。本专利技术的用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊还可以包括这样一些特征在双芯光纤的非锥体光纤尖的一端焊接有单芯光纤，并在焊接点处有拉锥形成的锥 体光耦合区。本专利技术的用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊是采用这样的方法来制作的采用光纤公共包层中含有两个独立光纤芯的双芯光纤，首先对双芯光纤实施 熔融拉锥，形成一个锥体形状光纤尖，其次是对所拉制的锥体光纤进行烧结，在 尖端生成一个微透镜。本专利技术的制作方法还可以包括将双芯光纤的非锥体的一端与单芯光纤焊 接，并在焊接点处加热同时实施拉锥，形成锥体光纤的光耦合区。本专利技术的制作方法的具体步骤为- 1、 取一段带有聚酯涂层的双芯光纤，光纤长度一般在1米以上，在其中点 位置，剥除光纤的涂覆层20 30毫米，使用无纺布蘸酒精和乙醚混合液，反复 擦拭光纤的外包层，直接清洁后备用；2、 将清洁后的光纤水平放入待加热装置的两个V型槽内，其中剥除外涂敷 层的光纤置于两V型槽之间，通过真空吸附或机械压紧将双芯光纤固定于V型 槽内部，通过整体移动两V型槽，调整光纤使其置于加热装置加热区的合适位 置；3、 利用加热装置对裸露的双芯光纤进行一段时间的预加热，加热区的形成 可以采用氢氧气燃烧、电弧持续放电、电热陶瓷加热、石墨加热以及高功率激光 加热，加热区温度要求在1600~ 1900。C之间；4、 对预加热的光纤进行持续加热的同时，通过V型槽施加水平的轴向拉力，V型槽作水平分离运动，使光纤局部软化部分快速被拉细，直至被光纤断裂，形 成一个锥体形状的光纤尖；5、 控制光纤V型槽的运动方向，使锥形光纤尖重新置于加热区内，精确控 制光纤的位置，使锥体光纤的尖端处于加热装置形成的温场最高点，利用加热装 置在瞬间内对光纤的尖端进行迅速的加热，使光纤尖端融化并在空气中依靠自然 冷却，由于光纤的表面张力作用，自然形成一个具有光场压縮作用的微透镜。6、 通过控制拉椎速度可以调整锥体光纤的拉制形状和锥角大小，优化双芯 光纤光镊的力学捕获特性。利用本专利技术的方法制作的双芯光纤光镊，它存在两个光场转换区， 一个是双 光束交叉大角度导引汇集区，通过锥角快速变化的锥体光纤改变了双芯光纤每个 纤芯中光波的传导方向，将两束光导引到光纤锥体尖端；另一个是形成大梯度光 场的光场压縮区，通过光纤尖端微透镜实现两束光的光场压縮。该双芯光纤光镊光场梯度的分布可通过调整锥体光纤的拉制形状来控制锥 角的大小来实现，梯度光场力的大小可通过调整输入光功率的大小来进行控制。本专利技术所采用的加热装置可以是氢氧火燃加热装置、电火弧加热装置、电热 陶瓷或石墨加热装置，也可以是大功率激光加热装置。此外，本专利技术不仅适于双 芯光纤光镊，而且对于超过两个纤芯的多芯光纤同样适用。本专利技术所公开的双芯光纤光镊的制作过程与工作原理如下所述利用公共包层中包含两个光纤芯的双芯光纤制作光镊，采用温度加热的方法 对双芯光纤实施熔融拉锥后，形成一个双光束大角度导引汇集区，然后对所形成 的光纤尖端再进行烧结，从而制作成在尖端带有一个微透镜的光纤尖。在双芯光 纤中传导的两光束首先通过锥角快速变化的锥体区，然后再经过微透镜形成的光 场压縮区，就形成了一种双光束组合的大梯度汇聚光场，由于该光纤尖端的双光 束大数值孔径组合而成的汇聚光场，与传统单光纤光镊相比，可形成具有更大数 值孔径、更小束腰半径的梯度光场，因此具有更大的光场梯度力势阱。当光场形 成的梯度力大于其散射力和吸收力时，对微粒起主导作用的梯度力将微粒捕获在 光束焦点附近，形成由光学梯度场产生的光阱。光阱力可以帮助粒子克服自重， 实现对微小粒子的单光纤三维俘获，并对其进行固定、搬运以及传递等操作。这 种双芯光纤光镊可用于活体生物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊，它包括光纤，其特征是：所述的光纤是在光纤公共包层中含有两个独立光纤芯的双芯光纤，光纤的一端为熔融拉锥及烧结而成的锥体光纤尖，锥体光纤尖的端部带有微透镜。

【技术特征摘要】
1、一种用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊，它包括光纤，其特征是所述的光纤是在光纤公共包层中含有两个独立光纤芯的双芯光纤，光纤的一端为熔融拉锥及烧结而成的锥体光纤尖，锥体光纤尖的端部带有微透镜。2、 根据权利要求1所述的用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊，其特征是: 在双芯光纤的非锥体光纤尖的一端焊接有单芯光纤，并在焊接点处有拉锥形成 的锥体光耦合区。3、 根据权利要求1所述的用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊，其特征是-所述的光纤还可以是公共包层中含有多个独立纤芯的多芯光纤。4、 一种用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊的制作方法，其特征是采用 光纤公共包层中含有两个独立光纤芯的双芯光纤，首先对双芯光纤实施熔融拉 锥，形成一个锥体形状光纤尖，其次是对所拉制的锥体光纤进行烧结，在尖端 生成一个微透镜。5、 根据权利要求4所述的用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊的制作方 法，其特征是还可以包括将双芯光纤的非锥体的一端与单芯光纤焊接，并在 焊接点处加热同时实施拉锥，形成锥体光纤的光耦合区。6、 根据权利要求4所述的用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊的制作方 法，其特征是具体步骤及这些步骤的组合(1) 取一段带有聚酯涂层的双芯光纤，光纤长度一般在1米以上，在其中点位置，剥除光纤的涂覆层20 30毫米，使用无纺布蘸酒精和乙醚混合液， 反复擦拭光纤的外...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑立波，刘志海，杨军，
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]