专利名称：基于多芯保偏光纤的阵列式光镊及其制备方法
技术领域：
本发明属于光纤技术研究领域，涉及的是一种阵列式光镊。本发明还涉及一种阵 列式光镊的制备方法。
背景技术：
光镊是利用光强度分布的梯度力和散射力俘获和操纵微小粒子的工具。1986 年 Askin 在"Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles” 一文中提出一种基于单束激光的三维光学势阱，用于实现对粒子 的三维空间控制，因为此光束可以实现空间对微小粒子的夹持，因此得名“光镊”，这篇文章 发表在Opt. Lett. 11，288-290。此后，光镊技术发展迅速，成为重要的研究技术手段，并促进 了若干交叉领域的快速发展。例如在微小粒子的捕获和搬运、皮牛级力的测量、微机械与 微器件的组装等领域得到广泛的应用。特别在生命科学领域，光镊技术以其非接触式、无损 探测的本质特性显示了其无与伦比的优势，对于推动生命科学的发展和微生命体的操纵发 挥了巨大的作用。光镊俘获的粒子尺度可以从几纳米到几十微米，可以为刚性颗粒，也可以 是软物质颗粒；可以为无生命的颗粒，也可以是活体细胞或病毒。由传统光镊发展至光纤光镊技术以来，产生多种光纤光镊系统，例如E. R. Lyons 等人将两根单模光纤的端面研磨成锥体，在锥体尖端形成一个半球面，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，这篇文章于1995年发表在Appl. Phys. Lett. 66，1584-1586 ；为了进一步对所 捕获的微小粒子的姿态进行控制，名为“用来俘获微小粒子的双芯单光纤光镊及其制作方 法”，公开号为CN101149449的中国发明专利文件中又给出了一种双芯光纤光镊。此后，又 公开了基于环形多芯光纤的光镊，公开号为CN101236275 ；和集成于单根光纤的多光镊，公 开号为CN101251620等新型光镊。这些新型光镊多能实现对单个微粒进行捕获、空间定位、 使其空间旋转等功能，但很少见到可同时对多个粒子进行操作的单光纤光镊。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在节约物理空间的同时，可大幅降低系统输入光功 率，以减小对待捕获粒子的伤害；对微粒的捕获更加灵活、准确，具备可调节性；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的 基于多芯保偏光纤的阵列式光镊。本发明的目的还在于提供一种阵列式光镊的制备方法。本发明的目的是这样实现的本发明的阵列式光镊包括多芯保偏光纤、标准单模光纤和激光光源，激光光源与 标准单模光纤的一端连接，标准单模光纤的另一端与多芯保偏光纤之间熔融拉椎耦合连 接，多芯保偏光纤的另一端经熔融拉椎加工制备成椎体形状。所述的多芯保偏光纤是双芯、三芯或四芯微结构光纤。本发明的阵列式光镊是采用这样的方法来制备的
步骤1，端面制备取一段多芯光纤，所述多芯光纤是双芯、三芯或四芯保偏微结 构光纤，采用热熔拉椎的方式将此多芯光纤的一端拉制成椎体形状，待冷却后用宝石刀将 端面切平，即将光纤端制备成椎体结构；步骤2，耦合连接将制备好的端部为椎体结构的多芯光纤的另一端进行涂敷层 祛除，与标准单模光纤常规焊接，然后进行热熔融拉锥操作，热熔融拉锥操作过程中进行光 功率监测，直到耦合到多芯光纤的光功率达到最大且各纤芯光功率分布均勻时为止；步骤3，光源注入将与多芯光纤耦合连接后的标准单模光纤的另一端与激光光源 常规连接，即将激光束注入此阵列式光镊系统中；步骤4，筛选操作打开激光光源，在多芯光纤的椎体结构处形成致密的空间三维 分布的干涉网格，在每个相干加强点处形成一个光学势阱，体积合适的微粒被稳定的捕获 在一个个光学势阱中，实现微观粒子的筛选。本发明的优点和特点是1.本发明将多芯光纤引入阵列式光镊控制系统，利用一根光纤中的多个光波导纤 芯构成空间分布的干涉网格光场，在节约物理空间的基础上还极大的减小了系统的输入光 功率，降低对微粒的伤害；2.本发明实现在一根光纤中的多芯光纤出射网格光场的相干加强处形成多个光 学势阱，可用于对微观粒子的筛选和批量操纵；3.本发明将通过多芯光纤实现致密的干涉网格分布的光学势阱，简单、有效的控 制三维出射光场光阱力的分布，实现光阱力的人为主观控制。
图1多芯光纤阵列式光镊系统结构简图(以双芯光纤为例)。图2(a)_(c)多芯光纤剖面图，其中图2(a)为双芯、图2(b)为三芯、图2(c)为四
-I-H心。图3拉椎和切割加工制得的多芯光纤端结构示意图(以三芯光纤为例)。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述图1多芯光纤阵列式光镊系统结构示意图。图中以双芯保偏光纤为例，给出该阵 列式光纤光镊的系统结构示意图。图中，1为多芯光纤，1-1为多芯光纤纤芯，1-2为经热熔 融拉椎和切割制备的椎台尖端结构，2为标准单模光纤，3为激光光源，4为多芯光纤1与标 准单模光纤2耦合连接处。图2多芯微结构光纤剖面示意图。图中左侧为双芯光纤，中间为三芯光纤，右侧为 四芯光纤，图中阴影部分代表纤芯。图3多芯光纤椎台端结构示意图(以三芯光纤为例)。图中，1为多芯光纤，1-1为 多芯光纤纤芯，1-2为经热熔融拉椎和切割制备的椎台尖端结构。在多芯光纤尖端进行热熔 融拉椎的目的是为了使出射光场会聚，获得致密的空间干涉网格结构的光学势阱。本发明的基于多芯保偏光纤的阵列式光纤光镊系统包括多芯保偏光纤1，标准单 模光纤2和激光光源3。激光光源3与标准单模光纤的一端2常规连接，标准单模光纤2的另一端与多芯保偏光纤1之间熔融拉椎耦合连接，多芯保偏光纤1的另一端经熔融拉椎加 工制备成椎体形状。多芯光纤可以是双芯、三芯或四芯微结构光纤；多芯光纤是保偏光纤， 即保证光束在此光纤中传输保证偏振态一致且稳定；多芯光纤1与普通光纤2通过熔融拉 锥的方式连接，拉椎过程中监测多芯光纤中各个纤芯的光功率分配，直到各个纤芯中耦入 的光功率最大且均勻时停止拉椎；多芯光纤与标准单模光纤2连接后，另一端再经熔融拉 椎的加工方式，制备出椎体形状，待冷却后将光纤端面切平，形成椎台结构。本发明的基于多芯保偏光纤的阵列式光纤光镊的制作过程步骤1，端面制备取一段多芯光纤1，此光纤可以是双芯、三芯或四芯保偏微结构 光纤，纤芯分布如图2所示，采用热熔拉椎的方式将此多芯保偏光纤1的一端拉制所需椎体 形状，待冷却后用宝石刀将光纤端面切平，即将光纤端制备成椎体结构，如图3所示。步骤2，耦合连接将制备好椎台端结构的多芯光纤1的另一侧进行涂敷层祛除， 与普通标准单模光纤2常规焊接，然后进行热熔融拉锥操作，过程中进行光功率监测，直 到耦合到多芯光纤1的光功率达到最大且各纤芯光功率分布均勻时为止。步骤3，光源注入结合图1，将与多芯光纤1耦合连接后的标准单模光纤2的另一 端与激光光源3常规连接，即将激光束注入此阵列式光镊系统中。步骤4，筛选操作结合图1，按照上述过程连接后，打开激光光源，在多芯光纤的 椎台端处会形成致密的空间三维分布的干涉网格，在每个相干加强点处会形成一个光学势 阱，体积合适的微粒会被稳定的捕获在一个个光学势阱中，实现微观粒子的筛选。
权利要求
一种基于多芯保偏光纤的阵列式光镊，包括多芯保偏光纤、标准单模光纤和激光光源，其特征是激光光源与标准单模光纤的一端连接，标准单模光纤的另一端与多芯保偏光纤之间熔融拉椎耦合连接，多芯保偏光纤的另一端经熔融拉椎加工制备成椎体形状。
2.根据权利要求1所述的基于多芯保偏光纤的阵列式光镊，其特征是所述的多芯保 偏光纤是双芯、三芯或四芯微结构光纤。
3.一种基于多芯保偏光纤的阵列式光镊的制备方法，其特征是步骤1，端面制备取一段多芯光纤，所述多芯光纤是双芯、三芯或四芯保偏微结构光 纤，采用热熔拉椎的方式将此多芯光纤的一端拉制成椎体形状，待冷却后用宝石刀将端面 切平，即将光纤端制备成椎体结构；步骤2，耦合连接将制备好的端部为椎体结构的多芯光纤的另一端进行涂敷层祛除， 与标准单模光纤常规焊接，然后进行热熔融拉锥操作，热熔融拉锥操作过程中进行光功率 监测，直到耦合到多芯光纤的光功率达到最大且各纤芯光功率分布均勻时为止；步骤3，光源注入将与多芯光纤耦合连接后的标准单模光纤的另一端与激光光源常规 连接，即将激光束注入此阵列式光镊系统中；步骤4，筛选操作打开激光光源，在多芯光纤的椎体结构处形成致密的空间三维分布 的干涉网格，在每个相干加强点处形成一个光学势阱，体积合适的微粒被稳定的捕获在一 个个光学势阱中，实现微观粒子的筛选。
全文摘要
本发明提供的是一种基于多芯保偏光纤的阵列式光镊及其制备方法。包括多芯保偏光纤、标准单模光纤和激光光源，激光光源与标准单模光纤的一端连接，标准单模光纤的另一端与多芯保偏光纤之间熔融拉椎耦合连接，多芯保偏光纤的另一端经熔融拉椎加工制备成椎体形状。本发明将多个光波导纤芯集成于一根光纤中，在节约了物理空间的同时，可大幅降低系统输入光功率，减小对待捕获粒子的伤害；同时，多芯光纤组合光镊对微粒的捕获更加灵活、准确，具备可调节性，大大提高了光纤光镊技术的实用性；更为重要的是该阵列式光纤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。
文档编号G02B6/255GK101907742SQ20101020348
公开日2010年12月8日 申请日期2010年6月21日 优先权日2010年6月21日
发明者张羽, 戴强, 田凤军, 苑立波 申请人:哈尔滨工程大学