一种基于渐变折射率多模光纤锥的光纤光镊及其使用方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于渐变折射率多模光纤锥的光纤光镊及其使用方法，属于光纤【技术领域】。该光纤光镊包括渐变折射率多模光纤、单模光纤、毛细玻璃管，和固定单模光纤的位移台，所述位移台可调节单模光纤沿轴向移动，渐变折射率多模光纤与单模光纤之间有一空气腔，调节位移台可以实现单模光纤沿轴向移动，进而调节空气腔的长度，从而调节光纤光镊的捕获距离；所述渐变折射率多模光纤的一端为切割平整的端面，另一端为锥体，所述单模光纤的一端为切割平整的端面，所述渐变折射率多模光纤的端面穿入并固定在所述毛细玻璃管的一端，所述单模光纤的端面穿入所述毛细玻璃管的另一端。本发明提供的光纤光镊操作简便，成本低，可以实现捕获距离可调。
【专利说明】一种基于渐变折射率多模光纤锥的光纤光镊及其使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤【技术领域】，具体涉及一种基于渐变折射率多模光纤锥的光纤光镊 及其使用方法。
【背景技术】
[0002] 光镊是 Askin 于 1986 年提出的（Optics Letters, 11 (5)，288-290, 1986)，其原理 是基于一大数值孔径的会聚透镜形成一束高度会聚光，在会聚点附近的微粒由于受到较大 的梯度力，可以克服其自身重力和散射力而被捕获，捕获之后可以进行三维移动。由于采用 非机械接触的方式对微小粒子进行捕获不会对微粒造成机械损伤，加之光对生物微粒具有 很强的穿透性，因而光镊特别适用于生物活性微粒的研究，并以其易制作和操纵等优点而 倍受关注，广泛应用于生物学、仪器学和化学等众多领域。传统的光镊采用高数值的孔径的 物镜，体积庞大，价格昂贵，且整个系统难于移动。最新迅猛发展的光纤光镊技术，利用光出 射的光场构成光镊，是光镊技术的重要分之之一，具有小尺寸和低成本等优点，很好的解决 了传统光镊存在的问题。
[0003] 光纤光镊使用熔融、拉伸或化学腐蚀的方法制作而成，通常是基于单模光纤制 作，然而单模光纤的纤芯直径小于10微米，使得这些制作而成的光纤光镊有如下缺点： 第一，较小的纤芯直径将限制光纤尖端的微棱镜的半径，使得聚焦距离较短，限制了捕 获距离；第二，微棱镜在尖端处需要制作成特殊形状来增加聚焦能力进而增加捕获的梯 度力，将使得锥尖的制作过程变得很复杂。第三，单模光纤的锥尖尖端若有一些缺陷或 表面较粗糙，容易导致束缚在纤芯中的光发散。Gong Y.等（Graded-index fiber tip optical tweezers : Numerical simulation and trapping experiment[J]. Optical Express，2013, 21 (13) : 16181-16190)提出了一种基于渐变折射率多模光纤的新型光纤光 镊，与基于单模光纤的相比，具有更长的捕获距离和更大的梯度力，这两点均为光纤光镊的 关键参数。在上述文章中利用化学腐蚀的方法制作出了渐变折射率多模光纤尖端，实验成 功捕获了酵母细胞，论证了此种光镊的可行性。申请号为201010028052. 1的中国发明专利 提出了一种基于腐蚀渐变折射率多模光纤的单光纤光镊制作方法，该方法可以实现长距离 捕获细胞和操作细胞，能使得细胞不接触光纤锥尖，使得细胞更不易受到因接触导致的损 伤，具有更好的活性，长距离捕获和操作在微观领域上有更大的意义。但是该方法制作光纤 光镊对于渐变折射率多模光纤锥的长度具有严格的要求，而且对于同一个渐变折射率多模 光纤锥，只有一个捕获距离，不具备调节捕获距离的功能，在重复性、操作性和适用性上较 差。
【发明内容】
[0004] 本发明针对【背景技术】存在的缺陷，提供了一种基于渐变折射率多模光纤锥的光纤 光镊及其使用方法。该光纤光镊的渐变折射率多模光纤和单模光纤之间有一可调节的空气 腔，可以通过调节该空气腔的长度调节该光纤光镊的捕获距离，操作简便，重复性好，可以 实现捕获距离可调，降低了制作成本。
[0005] -种基于渐变折射率多模光纤锥的光纤光镊，包括渐变折射率多模光纤2、单模光 纤3、毛细玻璃管1，其特征在于，所述光纤光镊还包括固定单模光纤的位移台4,所述位移 台可调节单模光纤沿轴向移动，所述渐变折射率多模光纤与所述单模光纤之间有一空气腔 5,调节位移台可以实现单模光纤沿轴向移动，进而调节空气腔的长度，从而调节光纤光镊 的捕获距离；所述渐变折射率多模光纤的一端为切割平整的端面，另一端为锥体，所述单模 光纤的一端为切割平整的端面，所述渐变折射率多模光纤的端面穿入并固定在所述毛细玻 璃管的一端，所述单模光纤的端面穿入所述毛细玻璃管的另一端。
[0006] 其中所述渐变折射率多模光纤与单模光纤之间的空气腔的长度为1?500微米。 所述渐变折射率多模光纤另一端锥体的锥角为20°?70°。
[0007] 进一步地，所述毛细玻璃管的内径为126微米，长度10毫米以上；外径大于1毫 米，这样毛细玻璃管具有一定的机械强度，在操作过程中不发生弯曲或折断；所述毛细玻璃 管的两端为喇叭口结构，便于光纤端面穿入其中。
[0008] -种基于渐变折射率多模光纤锥的光纤光镊的制作方法，具体包括以下步骤：
[0009] 步骤1 :采用化学腐蚀方法将渐变折射率多模光纤的一端加工成锥角在20°? 70°之间的锥体，得到渐变折射率多模光纤锥，另一端切割平整，得到渐变折射率多模光纤 端面；
[0010] 步骤2 :将渐变折射率多模光纤端面穿入并固定在毛细玻璃管中；将单模光纤的 一端切割平整，得到单模光纤的端面，将单模光纤的端面穿入毛细玻璃管的另一端；单模光 纤的端面与渐变折射率多模光纤的端面之间留有一空气腔，单模光纤的另一端固定在位移 台上。
[0011] 其中，步骤1中所述的采用化学腐蚀方法将渐变折射率多模光纤的一端加工成锥 体的具体过程为：首先，将渐变折射率多模光纤涂覆层剥除，用酒精清洗，在室温下，将清洗 后的渐变折射率多模光纤的一端垂直放入质量分数为40%的氢氟酸溶液，然后在氢氟酸溶 液表面覆盖一层二甲苯，防止氢氟酸挥发；经过1?1. 5h后，光纤在腐蚀液面以下的部分被 腐蚀掉，在腐蚀液表面，由于液面张力的作用，光纤的一端被腐蚀成锥体，得到渐变折射率 多模光纤锥；最后用去离子水清洗上述得到的渐变折射率多模光纤锥，去除光纤锥上残余 的腐蚀液，吹干或晾干待用。
[0012] 步骤2中所述的毛细玻璃管的内径为126微米，长度10毫米以上；外径大于1毫 米，这样毛细玻璃管具有一定的机械强度，在操作过程中不发生弯曲或折断；所述毛细玻璃 管的两端为喇叭口结构，便于光纤端面穿入其中。
[0013] 步骤2中所述的渐变折射率多模光纤与毛细玻璃管固定时使用胶水；步骤2中所 述单模光纤固定在位移台上时使用的是透明胶。
[0014] 步骤2中所述的单模光纤端面与渐变折射率多模光纤端面之间的空气腔的长度 为1?500微米。
[0015] 一种基于渐变折射率多模光纤锥的光纤光镊的使用方法，包括以下步骤：
[0016] 步骤A :将一束激光耦合进单模光纤，经过空气腔和渐变折射率多模光纤，输出光 场形成光镊；
[0017] 步骤B :调节位移台4,使单模光纤相对毛细玻璃管轴向移动，调节空气腔的长度， 从而调节光纤光镊的捕获距离。
[0018] 本发明的有益效果为：
[0019] 1、本发明利用氢氟酸腐蚀液的表面张力将渐变折射率多模光纤的一端腐蚀成锥 体，可提高操作的重复性；同时，本发明采用的渐变折射率多模光纤本身带有的自聚焦效 应，可以增强光场的会聚效果，形成较大的梯度力，更容易形成光镊。
[0020] 2、本发明所述光镊中单模光纤端面和渐变折射率多模光纤端面之间有空气腔，可 以通过调节空气腔来调节光纤光镊的捕获距离，可实现长距离无损伤的操作微粒样品。
[0021] 3、本发明提供的制作光纤光镊的方法操作简便，成本低，可以大批量制作，可以调 节捕获距离，并且不易损伤微粒。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为本发明提供的光纤光镊的结构示意图。
[0023] 图2为本发明光纤光镊的光的传输路径及出射光束的几何光学示意图。
[0024] 图3为光纤光镊系统的结构示意图。
[0025] 图4为采用本发明光纤光镊捕获细胞的距离和时间的关系曲线。
[0026] 图5为本发明提供的光纤光镊的空气腔的长度对捕获距离影响的关系曲线。
[0027] 其中，1 :毛细玻璃管，2 :渐变折射率多模光纤，3 :单模光纤，4 :位移台，5 :空气腔， 6 :稳定捕获点，7 :细胞，8 :激光器，9 :细胞溶液液滴，10 :显微镜载物台，11 :显微镜系统， 12 :计算机
【具体实施方式】
[0028] -种基于渐变折射率多模光纤锥的光纤光镊的制作及使用方法，具体包括以下步 骤：
[0029] (1)在室温下，将包层直径为125微米，纤芯直径为62. 5微米的渐变折射率多模光 纤涂覆层剥除，用酒精清洗包层表面，将清洗后的渐变折射率多模光纤的一端垂直放入50 毫升质量分数为40%的氢氟酸溶液中，然后在氢氟酸溶液表面覆盖一层二甲苯，防止氢氟 酸挥发；
[0030] (2)经过1. 5小时后，光纤在腐蚀液面以下的部分被腐蚀掉，在腐蚀液表面，由于 液面张力的作用，光纤的一端被腐蚀成锥体，得到渐变折射率多模光纤锥，用去离子水清洗 光纤锥，去除光纤锥上残余的腐蚀液，晾干待用；
[0031] (3)将渐变折射率多模光纤的另一端切割平整，得到光纤端面，在显微镜下观察光 纤端面，确定光纤端面平整后穿入毛细玻璃管中，并用502胶水涂抹毛细玻璃管端口，使渐 变折射率多模光纤端面固定在毛细玻璃管中；
[0032] (4)将包层直径为125微米，纤芯直径为5. 8微米的单模光纤的一端切割得到单模 光纤端面，在显微镜下观察光纤端面，确定端面平整后穿入毛细玻璃管的另一端，单模光纤 的端面与渐变折射率多模光纤的端面之间留有一空气腔；
[0033] (5)将毛细玻璃管固定在显微镜载物台上，再将单模光纤用透明胶固定在位移台 4上；
[0034] (6)当一束激光耦合进单模光纤，经过空气腔和渐变折射率多模光纤，输出光场形 成光慑；
[0035] (7)调节固定单模光纤的位移台4,使单模光纤相对毛细玻璃管轴向移动，调节空 气腔的长度，从而调节光纤光镊的捕获距离。
[0036] 图2为渐变折射率多模光纤中光的传输路径及出射光束的几何光学示意图。根据 几何光学理论，光在渐变折射率多模光纤中会发生周期性的会聚，通过上述腐蚀过程制作 的渐变折射率多模光纤锥，使出射光场高度会聚，形成光镊。如图2所示，当光纤锥输出的 会聚光场作用于细胞7时，在光镊力的作用下细胞7将在捕获的稳定点被束缚在6区域。
[0037] 图3为光纤光镊系统的结构示意图。本发明实施例采用980纳米激光器8激发光 纤光镊，激光器8输出的激光经过普通单模光纤3连接进入毛细玻璃管1中，经过空气腔的 传播进入渐变折射率多模光纤2,光纤锥在细胞溶液液滴9中捕获细胞，细胞溶液液滴9滴 放置于显微镜载物台10的玻璃片上。光纤光镊捕获操控微球的过程由光学观测系统实时 监测，观测系统由显微镜11与计算机12连接组成，便于显示和记录。单模光纤固定在位移 台4上，通过调节固定单模光纤的位移台4,使单模光纤相对毛细玻璃管轴向移动，调节空 气腔的长度，从而调节光纤光镊的捕获距离。通过上述方式在样品液滴9中成功的远距离 捕获了细胞，细胞捕获距离和时间的关系图如图4,可以看出细胞被捕获的距离随时间变化 很小，基本上是稳定不动。通过改变空气腔5的长度，可以使捕获的距离发生改变，捕获距 离和空气腔长度的关系如图5所示。
【权利要求】
1. 一种基于渐变折射率多模光纤锥的光纤光镊，包括渐变折射率多模光纤（2)、单模 光纤（3)、毛细玻璃管（1)，其特征在于，所述光纤光镊还包括固定单模光纤的位移台（4)， 所述位移台可调节单模光纤沿轴向移动，所述渐变折射率多模光纤与所述单模光纤之间有 一空气腔（5);所述渐变折射率多模光纤的一端为切割平整的端面，另一端为锥体，所述单 模光纤的一端为切割平整的端面，所述渐变折射率多模光纤的端面穿入并固定在所述毛细 玻璃管的一端，所述单模光纤的端面穿入所述毛细玻璃管的另一端。
2. 根据权利要求1所述的基于渐变折射率多模光纤锥的光纤光镊，其特征在于，所述 渐变折射率多模光纤与单模光纤之间的空气腔的长度为1?500微米。
3. 根据权利要求1所述的基于渐变折射率多模光纤锥的光纤光镊，其特征在于，所述 渐变折射率多模光纤另一端锥体的锥角为20°?70°。
4. 根据权利要求1所述的基于渐变折射率多模光纤锥的光纤光镊，其特征在于，所述 毛细玻璃管的内径为126微米，长度10毫米以上，外径大于1毫米，所述毛细玻璃管的两端 为喇叭口结构。
5. -种基于渐变折射率多模光纤锥的光纤光镊的制作方法，具体包括以下步骤： 步骤1:采用化学腐蚀方法将渐变折射率多模光纤的一端加工成锥角在20°?70°之 间的锥体，得到渐变折射率多模光纤锥，另一端切割平整，得到渐变折射率多模光纤端面； 步骤2:将渐变折射率多模光纤端面穿入并固定在毛细玻璃管中，将单模光纤的一端 切割平整，得到单模光纤的端面，将单模光纤的端面穿入毛细玻璃管的另一端，单模光纤的 端面与渐变折射率多模光纤的端面之间留有一空气腔，单模光纤的另一端固定在位移台 上。
6. 根据权利要求5所述的基于渐变折射率多模光纤锥的光纤光镊的制作方法，其特征 在于，步骤1中所述的采用化学腐蚀方法将渐变折射率多模光纤的一端加工成锥体的具体 过程为：首先，将渐变折射率多模光纤涂覆层剥除，用酒精清洗，在室温下，将清洗后的渐变 折射率多模光纤的一端垂直放入质量分数为40%的氢氟酸溶液，然后在氢氟酸溶液表面覆 盖一层二甲苯；经过1?1. 5小时后，光纤在腐蚀液面以下的部分被腐蚀掉，在腐蚀液表面， 由于液面张力的作用，光纤的一端被腐蚀成锥体，得到渐变折射率多模光纤锥；最后用去离 子水清洗上述得到的渐变折射率多模光纤锥，吹干或晾干待用。
7. 根据权利要求5所述的基于渐变折射率多模光纤锥的光纤光镊的制作方法，其特 征在于，步骤2中所述的单模光纤端面与渐变折射率多模光纤端面之间的空气腔的长度为 1?500微米。
8. -种基于渐变折射率多模光纤锥的光纤光镊的使用方法，包括以下步骤： 步骤A :将一束激光耦合进单模光纤，经过空气腔和渐变折射率多模光纤，输出光场形 成光慑； 步骤B :调节位移台（4)，使单模光纤相对毛细玻璃管轴向移动，调节空气腔的长度，从 而调节光纤光镊的捕获距离。
【文档编号】G02B6/24GK104090329SQ201410309680
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月1日 优先权日:2014年7月1日
【发明者】龚元, 黄巍, 饶云江, 刘群峰 申请人:电子科技大学