基于光纤的微球操纵装置及显微成像系统、光纤制作方法与流程

本发明涉及显微成像技术领域，特别是涉及一种基于光纤的微球操纵装置及显微成像系统。本发明还涉及一种光纤制作方法。

背景技术：

随着现代生物学和材料科学的发展，在微观结构的研究中对成像分辨率提出了越来越高的要求，科学家希望从分子水平揭示生命过程和材料性能的物理本质。

对于普通光学显微镜，由于受到光学衍射极限的限制，其横向分辨率被限制在200nm以上，这对于研究深亚波长结构或者细胞结构是远远不能满足要求的。为了突破衍射极限的限制，世界各地的科研人员对此展开了深入的研究，其中，最典型的几种方法包括受激发射损耗显微技术、结构光照明显微法、随机光场重建显微法、荧光蛋白光激活定位技术等，但这几种方法大多基于复杂数据的后续处理，存在系统较为复杂、价格昂贵、效率较低等问题，不能被普遍地应用。

基于微球纳米锥效应的超分辨成像技术，首先由英国曼彻斯特大学的研究团队于2011年提出，该技术采用白光照明光源，激发样品产生消逝波，利用微米量级的微球耦合消逝波，并进行空间放大产生放大的虚像，再对虚像进行二次成像，来获得样品表面的超分辨显微图像，实现了基于白光宽场照明达到远场超分辨的显微成像。该项技术基于其系统结构简单、效率高、成本低廉等优点受到普遍关注。

在该技术中，基于微球形成纳米锥的宽度与微球之间的距离有关。在某一合适的距离，纳米锥中心光斑的半高宽度最窄，也就是形成的点扩散函数最小，相应在此位置的成像分辨率最高。但目前技术阶段，微球在液体中不能保持悬浮，微球与样品表面是直接接触，因此并不能得到最佳的成像效果。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于光纤的微球操纵装置及显微成像系统，实现利用光束操纵微球在纵向方向移动，能够调整微球的纵向位置到达最佳成像点，进而提高成像质量。本发明还提供一种光纤制作方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于光纤的微球操纵装置，包括激光器、光纤分束器和多个光纤；

多个所述光纤至少包括位于与微球样品所在平面垂直的第一平面内且以微球样品为中心相对设置的两个所述光纤；

所述光纤位于所述微球样品所在平面的同一侧，且与微球样品所在平面具有预设夹角，并具有锥形的尾端，每一所述光纤的尾端正对所述微球样品；

所述激光器与所述光纤分束器连接，所述光纤分束器的输出端分别与所述光纤对应连接。

可选地，多个所述光纤还包括位于与微球样品所在平面垂直的第二平面内且以微球样品为中心相对设置的两个所述光纤。

可选地，还包括微位移操纵台，所述光纤由所述微位移操纵台固定，所述微位移操纵台与微球样品所在平面的夹角可调节。

可选地，还包括设置在所述光纤与所述微位移操纵台固定区域的毛细玻璃管。

可选地，所述激光器为输出光波长为980nm的功率可调谐式激光器。

可选地，还包括与所述光纤分束器的另一输出端连接的、用于检测光功率的光功率计。

一种显微成像系统，包括：

包括物镜和目镜的光学显微镜；

如上所述的微球操纵装置，其中，所述微球操纵装置的多个光纤分别对应设置在载物台样品区域；

在所述光学显微镜的目镜一侧设置的光电成像装置；

与所述光电成像装置连接的计算机。

一种光纤制作方法，包括：

在单根光纤的中部区域，将光纤一区段的保护层剥除；

将所述光纤的两端固定，对剥除保护层的区段加热，同时在所述光纤的两端施加轴向拉力，直至将所述光纤拉断，所述光纤拉断的一端作为尾端。

可选地，所述将光纤一区段的保护层剥除之后还包括：采用酒精棉对剥除保护层的光纤区段的包层进行清洗；

所述将所述光纤拉断之后还包括：采用酒精棉对形成的光纤尾端进行清洗。

可选地，所述将所述光纤的两端固定，具体包括：将所述光纤的两端分别固定在可移动的V型槽内；

所述在所述光纤的两端施加轴向拉力，具体包括：通过所述V型槽对所述光纤的两端施加轴向拉力。

由上述技术方案可以看出，本发明所提供的基于光纤的微球操纵装置及显微成像系统，所述微球操纵装置包括激光器、光纤分束器和多个光纤，多个所述光纤至少包括位于与微球样品所在平面垂直的第一平面内且以微球样品为中心相对设置的两个光纤，光纤与微球样品所在平面具有预设夹角，并具有锥形的尾端，每一光纤的尾端正对微球样品。光纤输出光照射到微球样品，在光学势阱中介质微球主要受到沿光束传播方向的散射力和梯度力(其方向指向最高能量密度点)。相对的两个倾斜设置的光纤输出光作用于微球，可以产生两个梯度力和两个散射力，因此通过平衡两个梯度力、两个散射力以及微球受到的其它形式力如重力、浮力，可以操纵微球在纵向方向移动。

因此，本发明基于光纤的微球操纵装置及显微成像系统，实现利用光束操纵微球在纵向方向移动，能够调整微球的纵向位置到达最佳成像点，进而提高成像质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于光纤的微球操纵装置中光纤的设置示意图；

图2为本发明实施例提供的一种光纤制作方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的一种显微成像系统的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于光纤的微球操纵装置，包括激光器、光纤分束器和多个光纤；

多个所述光纤至少包括位于与微球样品所在平面垂直的第一平面内且以微球样品为中心相对设置的两个所述光纤；

所述光纤位于所述微球样品所在平面的同一侧，且与微球样品所在平面具有预设夹角，并具有锥形的尾端，每一所述光纤的尾端正对所述微球样品；

所述激光器与所述光纤分束器连接，所述光纤分束器的输出端分别与所述光纤对应连接。

可以看出，本实施例基于光纤的微球操纵装置，应用于微球应用的显微成像系统中，包括激光器、光纤分束器和多个光纤，多个所述光纤至少包括位于与微球样品所在平面垂直的第一平面内且以微球样品为中心相对设置的两个光纤，光纤与微球样品所在平面具有预设夹角，并具有锥形的尾端，每一光纤的尾端正对微球样品。光纤输出光照射到微球样品，在光学势阱中介质微球主要受到沿光束传播方向的散射力和梯度力(其方向指向最高能量密度点)。相对的两个倾斜设置的光纤输出光作用于微球，可以产生两个梯度力和两个散射力，因此通过平衡两个梯度力、两个散射力以及微球受到的其它形式力如重力、浮力，可以操纵微球在纵向方向移动。

因此，本发明基于光纤的微球操纵装置实现利用光束操纵微球在纵向方向移动，能够调整微球的纵向位置到达最佳成像点，进而提高成像质量。

下面对本实施例微球操纵装置中光纤的设置方式进行详细说明。

可参考图1，本实施例微球操纵装置，多个所述光纤至少包括位于与微球样品所在平面垂直的第一平面内的两个光纤1，所述两个光纤1以微球样品为中心相对设置，每一光纤1具有锥形的尾端100，正对微球样品，通过光纤输出光照射到介质微球，来操纵微球移动。

光纤1与微球样品所在平面具有预设夹角θ，通过调节角度θ，可以调节微球受到力的方向和各分力的大小。

在另一种实施例中，多个所述光纤还包括位于与微球样品所在平面垂直的第二平面内且以微球样品为中心相对设置的两个光纤，光纤与微球样品所在平面具有预设夹角。通过位于第一平面和第二平面内的光纤，可以更为精确地控制微球样品在纵向方向移动，控制微球纵向位置到达最佳成像点。其第一平面和第二平面的夹角可以灵活设置，优选的，所述第一平面与所述第二平面垂直设置。

本实施例光纤具有锥形的尾端，通过锥形的尾端可以使光纤输出端的光能量密度大大提高，输出具有高光强梯度分布的输出光束，可以控制微球受到的梯度力和散射力的大小和方向。下面对本实施例提供的一种光纤制作方法进行详细说明，请参考图2，本实施例光纤制作方法包括步骤：

S1：在单根光纤的中部区域，将光纤一区段的保护层剥除。

具体的，可以利用光纤剥皮钳，将单根光纤中部区域的一区段的保护层剥除。进一步可采用酒精棉对剥除保护层的光纤区段的包层进行清洗，清洗干净。

S2：将所述光纤的两端固定，对剥除保护层的区段加热，同时在所述光纤的两端施加轴向拉力，直至将所述光纤拉断，所述光纤拉断的一端作为尾端。

具体的，可以通过将所述光纤的两端分别固定在可移动的V型槽内，将所述光纤的两端固定。然后采用氢氧焰对光纤剥除保护层的区段进行加热，同时，在光纤两端通过V型槽对所述光纤的两端施加轴向拉力，直至将光纤拉断，光纤拉断的一端作为尾端。并进一步采用酒精棉对形成的光纤尾端进行清洗。

本实施例所述微球操纵装置，可参考图3，光纤分束器3与激光器2连接，它的输出端分别与光纤对应连接。本实施例中光纤1优选采用单模光纤，并且为了使激光器的输出光可以高效地耦合进入单模光纤中，激光器2输出端以单模光纤输出。另外，由于需要在水中对介质微球进行操纵，因此为减少水对激光光源功率的损耗，优选采用输出光波长为980nm的功率可调谐式激光器。

所述微球操纵装置还包括微位移操纵台4，光纤1由微位移操纵台4固定，可调节光纤1在水平方向或纵向方向位移。所述微位移操纵台4还具有角度调节功能，微位移操纵台与微球样品所在平面的夹角可调节，从而调节光纤1与微球样品所在平面的夹角。在光纤倾斜角度确定后，通过微位移操纵台4可以比较精确地控制光纤在水平方向或纵向方向上移动，以调整微球在液体中的纵向位置。

优选的，为了减少光纤刚度低产生弯曲影响微球操纵的精度，可在光纤1的与微位移操纵台4固定区域设置毛细玻璃管6，在光纤1外套上毛细玻璃管6，增加其刚度。

优选的，在所述光纤分束器3的一输出端可连接用于检测光功率的光功率计5，通过光功率计5检测激光器2的输出功率。若操纵装置设置两个光纤1，所述光纤分束器3可采用1×3光纤分束器，其两个输出端与两侧的光纤连接，另一输出端接光功率计5。

本实施例基于光纤的微球操纵装置，应用于微球应用的显微成像系统中，利用光纤输出光束作用于液体中的微球，在微球样品的相对两侧设置两个操纵光纤，光纤与水平面具有夹角倾斜设置，可以实现操纵微球在纵向方向上移动。能够调整液体中微球的纵向位置，以到达最佳成像点，达到最佳成像分辨率及最佳成像对比度，进而提高成像质量。本实施例微球操纵装置结构简单，可操作性强，成本低，效率高，能够得到普遍和广泛的应用。

相应的，本发明实施例还提供一种显微成像系统，可参考图3，图3为本发明实施例提供的一种显微成像系统的示意图，所述显微成像系统包括：

包括物镜和目镜的光学显微镜7；

如上所述的微球操纵装置，其中，所述微球操纵装置的多个光纤分别对应设置在载物台样品区域；

在所述光学显微镜的目镜一侧设置的光电成像装置8；

与所述光电成像装置连接的计算机9。

通过光学显微镜7、光电成像装置8形成样品的像，输出到计算机9进行显示。所述光电成像装置8具体可采用CCD相机。

所述显微成像系统还包括微位移操纵台4、毛细玻璃管6、激光器2、光纤分束器3以及光功率计5，具体各部分功能及设置方式均可参考上实施例内容所述。

在实际应用中对样品进行显微成像观察时，先在光学显微镜7载物台样品区域分别设置光纤1，分别由微位移操纵台4固定；激光器2的输出端与光纤分束器3连接，光纤分束器3的一输出端接光功率计5，另外输出端分别连接光纤1。将光纤固定好之后，将样品放在载物台10上，在样品上滴注几滴含微球的悬浮液，微球可采用直径为5μm的二氧化硅小球(n＝1.46)。通过两侧相对位置的光纤输出光束对微球进行操纵，可以操纵微球在纵向方向移动，调整其纵向位置。经光学显微镜7和CCD相机8将样品的像输出到计算机9。通过适当调节微球与样品之间的距离得到最佳成像点的位置，从而得到最佳分辨率和成像对比度的图像。

以上对本发明所提供的一种基于光纤的微球操纵装置及显微成像系统、光纤制作方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。