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。

目前，应用微球的超分辨显微成像技术中，由于在扫描成像过程中微球不能移动，因此只能对微球位置周围的区域进行成像，在微球位置处会形成成像盲区，因此导致不能得到样品的全部面积成像。

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移动，避免了在扫描成像时形成成像盲区，保证得到样品的全部面积成像。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；

多个所述光纤设置在微球样品所在平面内，多个所述光纤至少包括沿第一方向且以所述微球样品为中心相对设置的两个所述光纤；

所述光纤具有锥形的尾端，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，多个所述光纤至少还包括沿第二方向且以所述微球样品为中心相对设置的两个所述光纤。

可选地，所述第一方向与所述第二方向垂直设置。

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。

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，还包括与所述光纤分束器的一输出端连接的、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。多个光纤设置在微球样品所在平面内，至少包括沿第一方向且以微球样品为中心相对设置的两个光纤，每一光纤的锥形尾端正对微球样品。光纤输出光照射到微球样品，一部分光被反射，另一部分光被折射，光束方向的改变使光的动量发生改变，基于动量守恒原理，微球动量会相应发生改变，从而实现操纵微球移动。

因此，本发明基于光纤的微球操纵装置及显微成像系统，实现了利用光束操纵微球移动，在扫描成像时可避免形成成像盲区，能得到样品的全部面积成像。

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；

多个所述光纤设置在微球样品所在平面内，多个所述光纤至少包括沿第一方向且以所述微球样品为中心相对设置的两个所述光纤；

所述光纤具有锥形的尾端，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，多个所述光纤设置在微球样品所在平面内，至少包括沿第一方向且以微球样品为中心相对设置的两个光纤，每一光纤的锥形尾端正对微球样品。光纤输出光照射到微球样品，一部分光被反射，另一部分光被折射，光束方向的改变使光的动量发生改变，基于动量守恒原理，微球动量会相应发生改变，从而实现操纵微球移动。

因此，本发明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，实现了利用光束操纵微球移动，在扫描成像时可避免形成成像盲区，保证得到样品的全部面积成像。

本实施例微球操纵装置利用光纤输出光作用于微球样品，在输出光与微球的动量传递中，微球获得的动量改变量与光束的动量改变量等值反向，且微球受到力的大小与入射光强的大小成正比。

在光学势阱作用下微球主要受到两部分作用力：沿光束传播方向的轴向力(即散射力)和横向力(即梯度力，其方向指向最高能量密度点)。当微球的折射率较周围介质的折射率大，则微球所受的辐射力沿光强梯度的方向；反之，则沿光强梯度的反方向。本实施例装置中光纤设计为锥形的尾端，可以提供高光强梯度分布的输出光，可以使光纤输出端的光能量密度大大提高，使介质微球受到力的方向均是指向光束聚焦点的方向，来作用微球移动。

下面对本发明基于光纤的微球操纵装置中光纤的设置方式进行详细说明。

本实施例微球操纵装置，多个所述光纤设置在微球样品所在平面内，至少包括沿第一方向且以微球样品为中心相对设置的两个光纤，通过沿一个方向且以微球样品为中心相对设置的两个光纤，可以操纵微球在一维方向上移动。

在一种优选实施例中，在微球样品所在平面内，设置沿第一方向且以微球样品为中心相对设置的两个光纤，还至少设置沿第二方向且以微球样品为中心相对设置的两个光纤，通过沿两个方向分别设置的光纤，可以操纵微球在二维平面内移动。

优选的，所述第一方向与所述第二方向可垂直设置，可参考图1所示，从图中可以看到，在相互垂直的两个方向上，分别设置有以微球样品为中心相对设置的两个光纤1，光纤1具有锥形的尾端100，每一光纤1的尾端正对微球样品。

在其它具体实施例中，还可进一步设置沿第三方向且以微球样品为中心相对设置的两个光纤，通过第一方向、第二方向以及第三方向上的光纤输出光束，可以对微球在平面内的位移进行更为精确的操纵控制，

本实施例装置中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，使得输出光的辐射力沿光束传播方向，能够在较大距离范围内对微球进行操纵。下面本实施例提供一种光纤制作方法，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。

本实施例提供的微球操纵装置，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1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，每一光纤1由微位移操纵台4固定。通过微位移操纵台4可以比较精确地控制光纤在水平面上移动，以操纵液体中微球移动。

优选的，在所述光纤分束器3的另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。若所述装置设置四个光纤，所述光纤分束器3可采用1×5光纤分束器，其中四个输出端与操纵光纤分别连接，另一输出端接光功率计5。

光纤1固定在微位移操纵台4上，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，可在所述光纤1的与所述微位移操纵台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。

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，可以实现操纵微球移动。在扫描成像时避免形成成像盲区，保证形成样品的全部面积成像。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。本实施例装置可实现操纵微球在二维平面内移动，可进行定点位置的超分辨成像，还可实现对移动物体进行跟踪成像。

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，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载物台样品区域的对应设置光纤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，其他输出端分别与光纤1对应连接。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)。通过光纤输出光束驱动微球，在至少两个方向上设置光纤，可以操纵微球在二维平面内移动进行扫描成像。经光学显微镜7和CCD相机8将样品的像输出到计算机9。

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。