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CN108873171B - 一种多芯光纤类贝塞尔光束阵列光镊 - Google Patents

一种多芯光纤类贝塞尔光束阵列光镊 Download PDF

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Abstract

一种多芯光纤类贝塞尔光束阵列光镊，属于光学捕获技术领域。本发明包括多芯光纤、阶跃多模光纤和激光光源，激光光源的尾纤与多芯光纤的一端熔融拉锥耦合连接，多芯光纤的另一端与阶跃多模光纤的一端常规同轴熔接，阶跃多模光纤的另一端经熔融加工制备成半径R的近似半圆球结构。本发明为一种基于类贝塞尔光束的新型全光纤阵列光镊，可用于对多个微小粒子的批量操作和筛选，实现特定位置的三维阵列排列；可通过对多芯光纤纤芯数目、阶跃多模光纤的长度及阶跃多模光纤一端熔融拉锥形状的调整，实现光势阱和捕获粒子数量的变更，实现微小粒子的显微精细操作，使其在生物医学研究领域有广泛的应用价值。

Description

一种多芯光纤类贝塞尔光束阵列光镊
技术领域
本发明属于光学捕获技术领域，具体涉及一种多芯光纤类贝塞尔光束阵列光镊。
背景技术
光镊是利用光强分布的梯度力和散射力俘获和操纵粒子的工具。由美国贝尔实验室的 Askin及其同事与1986年首次提出(Optics Letters,18(5):288-290,1986)，一种基于单光束激光的三维光学势阱，用于实现对微小粒子的三维控制，因此光束可实现空间对微小粒子的夹持，得名“光镊”。此后，光镊技术发展迅速，成为重要的研究技术手段，使其广泛应用于各种微小粒子的操作领域中，从数百微米的粒子到纳米粒子，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。
由于传统光镊系统基于光学显微系统其体积较大、在结构上缺乏灵活性、操作自由度较小。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。与常规光镊系统相比，光纤光镊因其具有结构简单、价格低廉、操作灵活等特点而得到发展。
由多光纤光镊发展至阵列光纤光镊技术以来，产生了多种光纤光镊系统。例如，2008年公开了名为“集成于单根光纤的多光镊”，公开号CN101251620，通过调整纤芯的几何排布结构，可实现在不同位置几何排列的多个微小粒子的同时捕获，同时使光镊的捕获性能得到极大的改善；2010年，陆续公开了公开号为CN101893736A的“基于阵列芯光纤的轴向阵列光镊及光动力控制方法”，该轴向阵列光镊在光纤末端形成的光学势阱呈正八面体结构，正八面体的顶点处形成光学势阱，通过调节压电陶瓷驱动装置的驱动电路改变阵列芯光纤方向位移进行传输光束的相位控制，实现功率分配与调整，控制该轴向阵列光镊光阱力分布；公开号为CN101907742A的“基于多芯保偏光纤的阵列式光镊及其制备方法”，该阵列式光镊可以在光纤端形成致密的干涉网格光场阵列，在相干加强点形成光学势阱对粒子实现筛选等功能。这些光镊多能实现多粒子的捕获操作等功能，但很少有可进行亚微米级粒子三维阵列捕获和操作的光镊。
发明内容
针对上述现有发明，本发明提供了一种节约了物理空间的同时，实现了单光纤三维阵列捕获的基于光纤类贝塞尔光束的单光纤阵列光镊。
为实现上述目的，本发明公开的一种多芯光纤类贝塞尔光束阵列光镊，包括多芯光纤(3)、阶跃多模光纤(2)和激光光源(4)，激光光源(4)的尾纤(41)与多芯光纤(3)的一端熔融拉锥耦合连接，多芯光纤(3)的另一端与阶跃多模光纤(2)的一端常规同轴熔接，阶跃多模光纤(2)的另一端经熔融加工制备成半径R的近似半圆球结构(22)。
多芯光纤(3)的纤芯(31)的数量大于等于2，纤芯(31)的分布不固定。
阶跃多模光纤(2)为芯径大于多芯光纤的纤芯距的阶跃折射率分布的多模光纤，阶跃多模光纤(2)的长度范围为200-500μm，近似半圆球结构(22)的半径R的范围为50-90μm。
通过熔接电流时间的控制，控制近似半圆球结构(22)的形状。
本发明的有益效果在于：
本发明为一种基于类贝塞尔光束的新型全光纤阵列光镊；利用多芯光纤与阶跃多模光纤同轴熔接在阶跃多模光纤中激发的类贝塞尔光束干涉形成致密的三维光学势阱，可用于对多个微小粒子的批量操作和筛选，实现特定位置的三维阵列排列；基于多芯光纤与阶跃多模光纤的类贝塞尔光束阵列光镊可通过对多芯光纤纤芯数目、阶跃多模光纤的长度及阶跃多模光纤一端熔融拉锥形状的调整，实现光势阱和捕获粒子数量的变更，实现微小粒子的显微精细操作，使其在生物医学研究领域有广泛的应用价值。
附图说明
图1多芯光纤类贝塞尔光束阵列光镊结构及原理示意图(以五芯光纤为例)；
图2(a)-(c)多芯光纤剖面图，其中图2(a)为双芯，图2(b)为四芯，图2(c)为五芯；
图3为多芯光纤类贝塞尔光束阵列光镊的光纤探头示意图；
图4为激光光源尾纤与五芯光纤熔融拉锥耦合结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
实施例1
一种多芯光纤类贝塞尔光束阵列光镊，包括多芯光纤(3)、阶跃多模光纤(2)和激光光源(4)，激光光源(4)的尾纤(41)与多芯光纤(3)的一端熔融拉锥耦合连接，多芯光纤(3)的另一端与阶跃多模光纤(2)的一端常规同轴熔接，阶跃多模光纤(2)的另一端经熔融加工制备成半径R的近似半圆球结构(22)，激光光源(4)发出激光，在阶跃多模光纤(2) 的纤芯(21)中激发出类贝塞尔光束(23)，半圆球结构(22)汇聚类贝塞尔光束(23)在空间干涉形成阵列三维光势阱(24)。
多芯光纤(3)的纤芯(31)的数量大于等于2，纤芯(31)的分布不固定，纤芯(31) 的分布可以是对称的，也可以是不对称的，不同纤芯(31)分布带来不同光阱数量与位置。
阶跃多模光纤(2)为芯径大于多芯光纤的纤芯距的阶跃折射率分布的多模光纤，阶跃多模光纤(2)的长度范围为200-500μm，近似半圆球结构(22)的半径R的范围为50-90μm，阶跃多模光纤的长度及阶跃多模光纤一端熔融拉锥形状的调整，实现光势阱和捕获粒子数量的变更，实现微小粒子的显微精细操作。
通过熔接电流时间的控制，控制近似半圆球结构(22)的形状。
一种多芯光纤类贝塞尔光束阵列光镊的制作过程为：
步骤1，激光光源尾纤(41)与五芯光纤(3)光源耦合：结合图1和图4采用熔融拉锥耦合，将激光光源的尾纤(41)与五芯光纤(3)拉锥耦合，实现激光光源(4)功率的耦合与分配调整。
步骤2，类贝塞尔光束激发：结合图1和图3，为了能够在阶跃多模光纤(2)中激发类贝塞尔光束(23)，将多芯光纤(3)与阶跃多模光纤(2)常规同轴熔接，取阶跃多模长度L，在阶跃多模光纤纤芯(21)中激发出类贝塞尔光束(23)。
步骤3，光纤锥尖透镜(22)制备：结合图3，采用熔融加工制备成半径为R的半圆球结构(22)锥尖形成透镜，通过熔接电流时间的控制，控制锥尖透镜的形状。
步骤4，三维阵列捕获实验：将整个系统连接完毕之后，打开光源(4)，激光光源通过拉锥区耦合进入多芯光纤(3)，多芯光纤(3)与阶跃多模光纤(2)常规同轴熔接，在阶跃多模光纤纤芯(21)中激发类贝塞尔光束(23)，该类贝塞尔光束(23)经多模光纤半圆形结构(22)汇聚后干涉形成三维光学势阱(24)，达到实现微小粒子的三维阵列捕获的目的。
实施例2
本发明涉及光学捕获领域，具体说是一种多芯光纤类贝塞尔光束阵列光镊。
光镊是利用光强分布的梯度力和散射力俘获和操纵粒子的工具。由美国贝尔实验室的 Askin及其同事与1986年首次提出(Optics Letters,18(5):288-290,1986)，一种基于单光束激光的三维光学势阱，用于实现对微小粒子的三维控制，因此光束可实现空间对微小粒子的夹持，得名“光镊”。此后，光镊技术发展迅速，成为重要的研究技术手段，使其广泛应用于各种微小粒子的操作领域中，从数百微米的粒子到纳米粒子，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。
由于传统光镊系统基于光学显微系统其体积较大、在结构上缺乏灵活性、操作自由度较小。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。与常规光镊系统相比，光纤光镊因其具有结构简单、价格低廉、操作灵活等特点而得到发展。
由多光纤光镊发展至阵列光纤光镊技术以来，产生了多种光纤光镊系统。例如，2008年公开了名为“集成于单根光纤的多光镊”，公开号CN101251620，通过调整纤芯的几何排布结构，可实现在不同位置几何排列的多个微小粒子的同时捕获，同时使光镊的捕获性能得到极大的改善；2010年，陆续公开了公开号为CN101893736A的“基于阵列芯光纤的轴向阵列光镊及光动力控制方法”，该轴向阵列光镊在光纤末端形成的光学势阱呈正八面体结构，正八面体的顶点处形成光学势阱，通过调节压电陶瓷驱动装置的驱动电路改变阵列芯光纤方向位移进行传输光束的相位控制，实现功率分配与调整，控制该轴向阵列光镊光阱力分布；公开号为CN101907742A的“基于多芯保偏光纤的阵列式光镊及其制备方法”，该阵列式光镊可以在光纤端形成致密的干涉网格光场阵列，在相干加强点形成光学势阱对粒子实现筛选等功能。这些光镊多能实现多粒子的捕获操作等功能，但很少有可进行亚微米级粒子三维阵列捕获和操作的光镊。
本发明的目的在于提出一种节约了物理空间的同时，实现了单光纤三维阵列捕获的基于光纤类贝塞尔光束的单光纤阵列光镊。
本发明的目的是这样实现的：
一种多芯光纤类贝塞尔光束阵列光镊，包括多芯光纤(3)阶跃多模光纤(2)和激光光源(4)，其特征是：激光光源(4)的尾纤(41)与多芯光纤(3)的一端熔融拉锥耦合连接，多芯光纤(3)的另一端与阶跃多模光纤(2)常规同轴熔接，在阶跃多模光纤(2)的纤芯(21) 中激发出类贝塞尔光束(23)，将一定长度L的阶跃多模光纤(2)的另一端经熔融加工制备成半径R的近似半圆球结构(22)，通过半圆球结构(22)汇聚类贝塞尔光束(23)在空间干涉形成阵列三维光势阱(24)。
多芯光纤(3)其纤芯(31)的数量大于等于2。
阶跃多模光纤(2)为芯径大于多芯光纤的纤芯距的阶跃折射率分布的多模光纤，其长度 L可取200-500μm，另一端通过熔融制成的近似半圆球结构(22)的半径R可取50-90μm。
激光光源(4)的尾纤与多芯光纤(3)的一端熔融拉锥耦合，实现功率的耦合与分配调整。
本发明的优点和特点在于：
展示了一种基于类贝塞尔光束的新型全光纤阵列光镊；
利用多芯光纤与阶跃多模光纤同轴熔接在阶跃多模光纤中激发的类贝塞尔光束干涉形成致密的三维光学势阱，可用于对多个微小粒子的批量操作和筛选，实现特定位置的三维阵列排列；
基于多芯光纤与阶跃多模光纤的类贝塞尔光束阵列光镊可通过对多芯光纤纤芯数目、阶跃多模光纤的长度及阶跃多模光纤一端熔融拉锥形状的调整，实现光势阱和捕获粒子数量的变更，实现微小粒子的显微精细操作，使其在生物医学研究领域有广泛的应用价值。
下面结合附图举例对本发明进行更为详细的论述：
本发明的目的在于提出一种节约了物理空间的同时，实现了单光纤三维阵列捕获的基于光纤类贝塞尔光束的单光纤阵列光镊。这种单光纤阵列光镊展示了一种基于类贝塞尔光束的新型全光纤阵列光镊；同时，可用于对多个微小粒子的批量操作和筛选，实现特定位置的三维阵列排列，使其在生物医学研究领域有广泛的应用价值。
一种多芯光纤类贝塞尔光束阵列光镊，包括多芯光纤(3)阶跃多模光纤(2)和激光光源(4)，其特征是：激光光源(4)的尾纤(41)与多芯光纤(3)的一端熔融拉锥耦合连接，多芯光纤(3)的另一端与阶跃多模光纤(2)常规同轴熔接，在阶跃多模光纤(2)的纤芯(21) 中激发出类贝塞尔光束(23)，将一定长度L的阶跃多模光纤(2)的另一端经熔融加工制备成半径R的近似半圆球结构(22)，通过半圆球结构(22)汇聚类贝塞尔光束(23)在空间干涉形成阵列三维光势阱(24)。
所述的多芯光纤(3)其纤芯(31)的数量大于等于2。
所述的阶跃多模光纤(2)为芯径大于多芯光纤的纤芯距的阶跃折射率分布的多模光纤，其长度L可取200-500μm，另一端通过熔融制成的近似半圆球结构(22)的半径R可取50-90μm。
所述的激光光源(4)的尾纤与多芯光纤(3)的一端熔融拉锥耦合，实现功率的耦合与分配调整。
图1多芯光纤类贝塞尔光束阵列光镊结构及原理示意图(以五芯光纤为例)。其中(1) 为可实现阵列捕获的单光纤类贝塞尔阵列光镊，(2)为大芯径阶跃多模光纤，(3)为多芯光纤，(4)为激光光源，(22)为通过熔融制成的半径为R的半球形透镜。激光光源(4)尾纤与多芯光纤(3)一端通过熔融拉锥耦合，多芯光纤(3)另一端与阶跃多模光纤(2)常规同轴熔接，以激发阶跃多模光纤中的类贝塞尔光束，类贝塞尔光束通过阶跃多模光纤一端的半球形透镜(22)在空间干涉构成阵列光阱最终实现三维阵列捕获。
图2(a)-(c)多芯光纤剖面图，其中图2(a)为双芯，图2(b)为四芯，图2(c)为五芯。纤芯的分布可以是对称的，也可以是不对称的，不同纤芯分布带来不同光阱数量与位置。
图3为多芯光纤类贝塞尔光束阵列光镊的光纤探头示意图。多芯光纤(2)与阶跃多模光纤(3)常规同轴熔接以激发阶跃多模中的类贝塞尔光束。阶跃多模(3)的光纤长度为L，其另一端熔融制成半径为R的半球形透镜(22)，类贝塞尔光束通过球形透镜在空间汇聚干涉形成阵列光阱。
图4为激光光源尾纤与五芯光纤熔融拉锥耦合结构示意图。通过熔融拉锥耦合可实现激光光源(4)功率的耦合与分配调整。
结合图1实现这种三维阵列捕获的单光纤类贝塞尔光镊(1)，主要包括多芯光纤(3)阶跃多模光纤(2)和激光光源(4)。激光光源(4)的尾纤(41)与多芯光纤(3)的一端熔融拉锥耦合连接，多芯光纤(3)的另一端与阶跃多模光纤(2)常规同轴熔接，在阶跃多模光纤(2)的纤芯(21)中激发出类贝塞尔光束(23)，阶跃多模光纤(2)的另一端经熔融加工制备成半径为R的半圆球结构(22)，通过半圆球结构(22)汇聚类贝塞尔光束(23)在空间中干涉形成阵列三维光势阱(24)。
本实施方式的单光纤光镊的制作过程：
步骤1，激光光源尾纤(41)与五芯光纤(3)光源耦合：结合图1和图4采用熔融拉锥耦合，将激光光源的尾纤(41)与五芯光纤(3)拉锥耦合，实现激光光源(4)功率的耦合与分配调整。
步骤2，类贝塞尔光束激发：结合图1和图3，为了能够在阶跃多模光纤(2)中激发类贝塞尔光束(23)，将多芯光纤(3)与阶跃多模光纤(2)常规同轴熔接，取阶跃多模长度L，在阶跃多模光纤纤芯(21)中激发出类贝塞尔光束(23)。
步骤3，光纤锥尖透镜(22)制备：结合图3，采用熔融加工制备成半径为R的半圆球结构(22)锥尖形成透镜，通过熔接电流时间的控制，控制锥尖透镜的形状。
步骤4，三维阵列捕获实验：将整个系统连接完毕之后，打开光源(4)，激光光源通过拉锥区耦合进入多芯光纤(3)，多芯光纤(3)与阶跃多模光纤(2)常规同轴熔接，在阶跃多模光纤纤芯(21)中激发类贝塞尔光束(23)，该类贝塞尔光束(23)经多模光纤半圆形结构(22)汇聚后干涉形成三维光学势阱(24)，达到实现微小粒子的三维阵列捕获的目的。

Claims (1)

1.一种多芯光纤类贝塞尔光束阵列光镊，包括多芯光纤(3)、阶跃多模光纤(2)和激光光源(4)，其特征在于：激光光源(4)的尾纤(41)与多芯光纤(3)的一端熔融拉锥耦合连接，多芯光纤(3)的另一端与一定长度的阶跃多模光纤(2)的一端常规同轴熔接，在阶跃多模光纤中激发出类贝塞尔光束，阶跃多模光纤(2)的另一端经熔融加工制备成半径R的近似半圆球结构(22)，通过半圆球结构汇聚类贝塞尔光束在空间中干涉形成多点阵列三维势阱(24)；
所述的多芯光纤(3)的纤芯(31)的数量大于等于2，纤芯(31)的分布不固定，不同纤芯(31)分布带来不同光阱数量与位置；
所述的阶跃多模光纤(2)为芯径大于多芯光纤的纤芯距的阶跃折射率分布的多模光纤，阶跃多模光纤(2)的长度范围为200-500μm，以形成致密的空间多点阵列三维势阱；
所述的半圆球形透镜，通过熔接电流时间的控制，控制近似半圆球结构(22)的形状，半圆球结构(22)的半径R的范围为50-90μm。
所述的激光光源(4)的尾纤与多芯光纤的一端熔融拉锥耦合，实现功率的耦合与分配调整。
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