基于同轴三波导光纤的微球自组装激光器的制作方法

本发明涉及的是一种基于同轴三波导光纤的微球自组装激光器，可用于微球捕获、微球激光光谱测量及微球激光器自组装，尤其适用于单细胞操纵、测量及分析技术领域。

(二)

背景技术：

1960年美国科学家t.h.梅曼等人成功创造出世界上第一台红宝石晶体激光器，1961年a.贾文等人成功研制出氦氖激光器，1962年r.n.霍耳等人研制出砷化镓半导体激光器。激光器的诞生标志着人们有能力调控多个光子的发射方向、相位、频率和偏振等，使人们对光的认识和应用达到了更高的水平。激光器在微型化和交叉学科方向表现出超乎想象的应用价值，因此光流体激光器这一领域便应运而生。光流体是结合光学和流体各自独特的优势而形成的一个多学科交叉的新型研究领域，其概念在2003年由美国加州理工大学提出，生物机体因存在天然的液体环境，在生物医疗诊断、传感探测和成像等领域有着非常广泛的应用前景。

细胞激光器是一种特殊的光流体激光器(激光与光电子学进展，细胞激光器研究进展及应用综述，2018,55：120001)，可以在体外模拟生物体生存的液体环境或者直接在生物体内，在外界能量的激励下实现细胞的激光输出。相比于目前生物医学各个领域中常用到的荧光信号探测方法,采用激光信号探测的方式具有其自身独特的优势，首先，激光信号是受激辐射光不同于荧光信号的自发辐射光，在经过谐振腔的信号放大反馈后会有良好的方向性；其次，当激励源激光信号高于阈值时，工作粒子输出的信号能量远高于荧光信号，所以激光信号探测的分辨率和灵敏度也会远高于荧光探测，并且，激光信号输出光谱线宽与发光材料的荧光光谱相比谱宽极窄，这样有利于在样品探测过程进行及时响应。细胞激光器中常用的增益介质一般为荧光材料，如荧光蛋白(naturephotonics,single-cellbiologicallasers,2011,5:406-410)、荧光染料(bio-switchableoptofluidiclasersbasedondnahollidayjunctions,2012,12(19):3673-3675)、荧光素、量子点、维生素、及荧光能量共振转移对等，将增益介质与细胞进行有机整合，其吸收激发能量后发射的增益信号经光学谐振腔不断振荡反馈放大，当增益大于腔内的总损耗时，便会形成激光输出。

2001年6月，哈佛大学的gather等人使人胚肾细胞可以发射出激光信号(naturephotonics,single-cellbiologicallasers,2011,5:406-410)，装置中激励光源需经过显微物镜聚焦使光斑缩小至单个细胞尺寸，并利用两片高反射镜粘合出一个空间略大于细胞尺寸的法布里-珀罗谐振腔，用以限制细胞在激励光的位置内，所以该装置体积庞大，空间激励光的方向和位置不便于对单细胞做出调整，只能借助外界空间限制的方法来捕获细胞。2015年，哈佛大学医学院的humar等人研制了多款基于回音壁模式微腔的细胞激光器(naturephotonics,intracellularmicrolasers,2015,9:572-576)，证明了在天然的细胞内也可实现激光输出，其人为在细胞内置入一个规则圆形脂滴作为回音壁模式，输出信号经芯径200μm的多模光纤耦合至光谱探测器，但该装置体积较大，并且接收信号所使用的光纤较粗，也不具备对细胞精准捕获及调控细胞周围温度等微操控功能，使得激发光束照射细胞这一操作变的不够精确，细胞在液体中的微小位移会导致激励光束无法准确的耦合进脂滴，使增益信号无法连续增强，同时也增加了实验的操作难度。

专利号为cn201510295509.8的发明专利提出一种可调谐液体微球激光器，该专利中需要两个光纤光镊同时对微球进行捕获操作，并采用一端光纤输出对向另一端光纤接收的方式收集信号光；专利号为cn201510267391.8的发明专利提出一种液滴回音壁模式激光器及其制作方法，该专利中需要通过单模光纤和环形芯光纤热熔拉锥的方式将输入光耦合进环形芯中，液滴同样需要与微纳光纤接触才能够将信号光传输出；专利号为cn201510271055.0的发明专利提出一种多波长液滴激光器，该专利中由于需要对多个液滴进行激发检测，与上一个专利相同的，每个液滴均需要与一个微纳光纤接触输出，这种方法无疑增加了器件的难度，众所周知，微纳光纤的尺寸只有几个微米，极易受到外界环境的影响，并且很难长时间保持光纤表面的洁净，而且该专利中需要多个液滴线性排布，也就意味着需要多个微纳光纤线性分布，由于液滴的尺寸较小，这也对实验操作提出了极高的要求。专利号为201810169543.4的发明专利提出基于同轴双波导光纤的活体单细胞多功能谱仪，该专利中所提到的细胞微光手与本专利所使用的光纤捕获细胞原理相近，同样是用环形芯进行捕获，但装置结构和中心纤芯功能各有不同，本发明不但丰富了光纤的结构，也增加了光纤的多种新型功能，同时又优化了光纤光镊光纤端的加工结构，进而优化了对细胞的捕获光场，与侧抛耦合的方法相比，改进了入射光与环形芯的耦合方式，使实验的可操作性更强。与以上发明专利相比，本发明提出的基于新型同轴三波导光纤的微球自组装激光器，光纤的新型结构包括一个中间纤芯和两个同轴的环形芯，将细胞捕获、细胞姿态微控、细胞周围的温度调控、增益物质的激发和光信号接收等多个功能集成在同一个光纤内，并优化了光纤光镊对细胞的捕获光场，此发明将对活体单细胞的分析和检测和对揭示生命活动的本质和规律，提供更可靠的科学依据。

本发明在以上背景之下，提出一种基于新型同轴三波导光纤的微球自组装激光器。一方面其能够通过环形纤芯中的光束传输不同的光波段，从而完成微球的捕获、操作光场的分布和微球激光的激发，因此具备光场调控和激发的特性；另一方面，中间纤芯能够传输捕获激光完成微球在径向位置的微小位移，具对微球进行高精度的姿态和位置调控，使激发光路与谐振微球完成准确的对接，另外，为了实现系统稳定的运行，该中间纤芯还具备能够进行对微球周围环境温度的监测与调控功能。此装置采用新型同轴三波导光纤，具备多光路高度集成化的特点，具有很小的体积和可弯曲的灵活特性，为类似于微球的活体单细胞的生命科学问题的探索与研究提供了重要的多功能工具，本发明是学科交叉融合发展趋势下的一种新型激光器，因此具有十分重要的意义与价值。

(三)

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于同轴三波导光纤的微球自组装激光器，可用于单细胞捕获、细胞激光光谱测量。

一种基于新结构同轴三波导光纤的微球自组装型“光纤-微球”激光器，该“光纤-微球”激光器主要是由以下四个部分组成：(1)具有新型结构的同轴三波导光纤，该光纤端被抛磨成旋转对称的锥体圆台形，制备成光纤光镊；(2)微球形光学谐振腔，腔内具有光学放大功能的增益介质，可以分布在球内、球外或球壳表层；(3)包括可提供波长为980nm的微球捕获光动力的光源、中心波长为1550nm的调控温度的宽谱光源和波长在460-670nm的增益介质激发光源；(4)微球输出激光的探测光谱仪。所述系统中：捕获光束由标准单模光纤17从捕获光源2引出，经由1×2耦合器5分为两路光，一路通过4-2衰减器以及多芯光纤分路器8后再进入同轴三波导光纤9的其中一个环形纤芯9-1中。另一路通过4-3衰减器与控温光束一同进入wdm7中，再进入多芯光纤分路器8和同轴三波导光纤9的中间纤芯9-1中。激励光束由标准单模光纤17从激励光源1引出，经过衰减器4-1进入多芯光纤分路器8，然后进入同轴三波导光纤9的另一个环形纤芯9-2中，探测到的微球激光信号通过三端环形器6-1进入光谱仪15接收。控温光束由标准单模光纤17从控温光源3引出，经过环形器6-2和wdm7再进入多芯光纤分路器8，最后进入对应同轴三波导光纤的中间纤芯9-3中，探测到的微球周围温度环境的反馈信号通过三端环形器6-2进入光谱仪16接收。

样品池中装满微球水溶液并稳定在载物台11上，光纤光镊10浸在的样品池中，用于实现同轴三波导光纤探针对微球捕获和操控，精密的位移操作过程通过显微物镜12，ccd13和计算机14组成的成像模块进行实时成像。液体中的微球通过被具有旋转对称锥体圆台形的光纤端光纤光镊10捕获，通过光纤光镊的锥体环形芯9-1和中间光纤芯9-3的捕获力联合操控，实现对微球的姿态和位置进行精确的调整，使得环形芯9-2所发射的激发光与谐振微球完成准确的对接，满足向微球谐振腔提供激发光源和输出待探测的谐振增强荧光信号的条件，从而自组装成为一个新型的“光纤-微球”激光器。在上述“光纤-微球”激光器的系统结构中，其中一个锥体圆环波导起到对微球进行光动力捕获的作用，而中间纤芯波导对被捕获的微球提供了一个光辐射推力的作用，通过这两个光动力调控，使得微球与另一个锥体环形波导发出的激发光能够实现准确的耦合，从而实现对微球的谐振激发和激光信号的输出，如图1所示。

本发明所采用的同轴三波导光纤9具备有一个中间纤芯波导9-3和两个同轴分布的环形芯波导9-1和9-2，两环形芯之间的距离与环形芯的直径有关。其中一个环形芯波导用于传输捕获光束，另一个环形芯波导用于传输激发光束，中间芯通道则是用于协助精准操控微球姿态调整，同时也具备能够进行对微球周围环境温度的监测与调控的功能，如图2所示是同轴三波导光纤的结构和折射率分布示意图，以及每个纤芯波导中所通入光的类别。

捕获光束通过耦合器5和衰减器4-2注入同轴三波导光纤9的一个环形芯9-1内。该波段光束用于微球的捕获，方法为采用同轴三波导光纤的光纤端制备由精细研磨而成的旋转对称的反射锥台结构，作为光纤光镊10，用于环形芯内传输光束的折射会聚，形成光捕获势阱。同轴三波导光纤的环形芯内传输的捕获光束能够经过该圆台结构进行反射聚焦，从而实现较深的捕获势阱，用于微球捕获。为了实现对微球的稳定捕获与激发，可以通过光纤端抛磨技术制备光纤光镊，如旋转对称的锥体圆台结构，如图5所示。

为了满足折射汇聚，锥台底角α需满足：α＜arcsin(n1/n2)，n1为微球所处液态环境折射率，n2为环形芯折射率。为了降低光功率并提高光动力对俘获的微球操控的精度，需要使光场在空间能量聚焦点的三维尺度更小，提高锥体光纤端对光场聚焦特性，使得光纤端的交叉光场的汇聚焦斑更小，为此，可以通过优化旋转对称的锥体圆台结构的方法来实现。将切面锥体圆台结构(图3(a))加工成弧度锥体圆台结构(图3(b))，通过切面的弧形优化，能够进一步压缩纤芯出射光束的腰斑尺度，从而使能量更加集中，这能够增强捕获力，并且能够更好的降低总的光功率。采用数值仿真计算的方法，比较了两种典型的光纤端在弧形优化前后的光场分布强度情况，在输入总的光功率不变的情况下，粗略比较了优化前和优化后1/e场强处光斑的宽度，结果表明，前者是后者的2倍多，如图4所示。

利用优化后的弧度锥体圆台结构的光纤光镊(图5所示)所发出的光学梯度力势阱捕获微球的过程中，每个波导可以通过各自独立的衰减器调控光强，不仅能够捕获住微球，而且能够实现微球位置(x,y,z)的整体操纵，这一操纵的过程可以通过显微镜的ccd图像观测来粗略反馈其调整效果，从而进一步改变每个光束的光功率大小。被捕获的微球的受力情况如图6所示，环形芯中的捕获光束的焦点对应于梯度力势阱的底部，若要在z方向实现较位移变化，只有通过中间纤芯提供一个辐射推力f0，从而与环形芯发出的f1和f2相互平衡来完成微球的捕获。

中间纤芯通过wdm7通入捕获光源和控温光源的两种光束，除了提供微球姿态调整的动力光源外，又增加了一个对环境温度测量和监控的功能。当微球被光纤光镊捕获住后，通过衰减器4-3调节环形纤芯和中间纤芯9-3中所发出的捕获光束的强度，可以改变光学梯度力势阱的分布，从而使微球在径向可以获得一个小范围的位移改变。为了实现中间纤芯能够测量和监控系统环境温度，中间纤芯将被写入1550nm波段的光纤光栅(如图7所示)，一方面，借助于这个光纤光栅对温度的响应特性，能够实现激光器系统的环境温度测量；另一方面，由于采用了1550nm红外波段的光(水溶液吸收系数较大)，因此可以在微球外界环境温度降低的情况下，通过提供光能量来加热微球周围的液体(光热效应)，从而达到提升微球环境温度的办法来实现激光器微系统环境温度的调控，使这个开放系统处于动态平衡的恒温状态，从而保持系统环境温度的稳定，使激光器处于稳定的恒温状态下工作。这里还需要考虑存在的问题包括，较弱的1550nm波段的出射光能够维持微球周围液体处于一个动态的平衡温度，由于光功率较小，因此对处于动态力平衡状态的微球的作用力也较小；当需要光热功率较大时，会对微球的力学平衡态产生影响，可以通过调整捕获光束功率的办法来使其实现再平衡。

激励光束通过衰减器4-1、环形器6-1和多芯光纤分路器8注入同轴三波导光纤9的另一个环形芯9-2内。同轴三波导光纤的环形芯内传输的激发光束能够经过该圆台结构进行反射聚焦，聚焦的光束具备有较强的能量密度，能实现被捕获微球激光的激发，方法为：在微球被环形芯发出的光束捕获住后，被激励光激发，此时微球可以作为一个光学回音壁微腔，激发后的激光信号被限制在微纳量级的谐振腔内，也可以理解为法布里-珀罗腔中往返传输的光线沿圆形轨迹绕腔前行，回音壁模式光线在腔内应满足两个基本条件方可实现稳定传输，其中一个为全内反射条件，当光线入射角度大于某一临界角时，根据折射率导光原理，光线会被限制在高折射率介质内传输，而不发生折射；另一个条件为相位匹配条件，谐振波长的计算公式为λ＝2πrneff/m，r为微球微腔的半径，neff为微球介质的有效折射率，m为整数。图8是回音壁谐振腔微球工作原理示意图，这种限制光场的方式可以使腔内光强度非常高，能有效提高抽运效率，从而极大地降低激光阈值，在很大程度上可以满足细胞生物学中的应用需求。

其中所涉及的多芯光纤分路器8可理解为能够将出射光束分到多个不同分光支路中，并可以耦合进多芯光纤的各个纤芯中的器件，其中每个分光支路又可以通过衰减器4单独控制。

基于同轴三波导光纤的微球自组装激光器系统的工作原理示意图，如图9所示，为了满足各种传感测量的需求，本发明可以将微球用单生物细胞代替，从而可实现基于同轴三波导光纤的活体单细胞自组装激光器。

本发明至少具备有以下的明显优点：

(1)提出一种微球激光器。相比较于其它已提出的单细胞质激光器，本发明提出的激光器具有无创、可以实现实时激光光谱检测的特点。

(2)本发明将单细胞捕获技术和细胞激光器集成在同一根同轴三波导光纤当中，能提供丰富的细胞结构和化学组成信息。因此本发明能够全方位、多功能地实现单细胞的分析。

(3)本发明所提出的光纤探针将多个操作功能集成于一根光纤之内，而光纤探针具备有集成度高、操作灵活性高的特点，能够实现活体单细胞的在体快速分析。

(四)附图说明

图1是基于同轴三波导光纤的微球自组装激光器系统的装置示意图：(a)装置中的捕获系统和激励系统；(b)装置中的控温系统。

图2是同轴三波导光纤的结构和折射率分布示意图，以及每个纤芯波导中所通入光的类别。

图3是光纤锥体圆台弧形优化方案：(a)优化前光纤锥体圆台；(b)优化后光纤锥体圆台。

图4是对于纤端结构弧形优化前后两种情况的聚焦光斑进行了量化比较图，前者与后者相比较，光斑直径更小，能量密度更高。

图5是同轴三波导光纤纤端的旋转对称圆弧形锥体圆台结构示意图。

图6是同轴三波导光纤端出射的两光束组合光场示意图。

图7是位于纤端的光纤光栅温度监测传感器示意图。

图8是回音壁谐振腔微球工作原理示意图。

图9是基于同轴三波导光纤的微球自组装激光器系统的工作原理示意图。

图10是基于同轴三波导光纤的微球自组装激光器系统的完整装置示意图。

图11是基于同轴三波导光纤的微球自组装激光器系统对单体活细胞进行捕获、控温、激发和检测的工作示意图。

(五)具体实施方式

我们知道，细胞生物学仍然是生命科学领域中的重要学科，是支撑生物技术发展的基础。尽管发现细胞已经300多年了，但人类目前对细胞在整体层次上的工作机理并未获得一个完整清晰的认识。细胞生物学是从细胞的不同结构层次来研究细胞的生命活动的基本规律。运用现代科学技术成就和方法、概念，在细胞水平上揭示细胞内部的信息，是细胞生物信息获取的重要途径之一。

活体单细胞技术是当前生物学技术的前沿，可以给科学家提供许多新的生物学信息，不仅可以检验过去经典方法的结论，而且可以发现许多新的规律。例如，单细胞技术首先可以让科学家检验是否真的存在细胞平均值指标，也就是说过去的多细胞研究方法是否真的可靠，以及这种传统研究技术的精确程度如何。此外，单细胞检测方法可提供非常丰富的信息，有时候是未曾意料，或者过去被统计结果掩盖的信息。单细胞研究不仅能够弥补过去由于群体细胞采样而导致的被掩盖和遗漏掉的重要信息，使“组学”研究的结果更为客观和全面，而且有可能获得生命科学研究中尚未发现的新现象和新规律，因此，对于生命科学的研究有着特别重要的意义。

数十年来，研究人员主要是对细胞群展开分析。开展这样研究的重要前提是人们认为构成这些细胞群(例如正常组织细胞和肿瘤细胞)的单个细胞，差不多是均质的或一样的，所获结果都是这些细胞群特征的平均值。最近几年，随着细胞异质性现象的揭示，单细胞分析技术逐渐受到人们的重视。然而单细胞分析面临着许多问题。最具有挑战性的是灵敏度难以满足需求，无论是针对单一特异性大分子，还是在组学水平上进行分子分析，都存在单细胞提取物量少而难以分析、甚至可以说是不可能完成的困难。

由于灵敏度和样品体积等方面的限制，通常的生命科学研究主要以大量的细胞为研究对象。但是，同种细胞的不同个体间存在着显著的微观不均一性(异质性)，基于大量细胞的实验结果难以反映单细胞水平上的生命活动规律。因此，基于活体单细胞的分析将能在更深的层次上揭示生命活动的本质和规律，为探究重大疾病的起因、发展和治疗提供更可靠的科学依据。

以同轴三波导光纤的微球自组装激光器系统为例，对本发明进行具体的说明。

实施例：单体活细胞的激光测量：

图10是基于同轴三波导光纤的微球自组装激光器系统的完整装置示意图，它由激励光源1，捕获光源2，控温光源3，衰减器4，耦合器5，环形器6，波分复用器(wdm)7，多芯光纤分路器8，同轴三波导光纤9，光纤光镊10，载物台11，显微物镜12，ccd13，计算机14和350nm～1750nm光谱仪15和16以及标准单模光纤17组成。所述系统中：捕获光束由标准单模光纤17从捕获光源2引出，经由1×2耦合器5分为两路光，一路通过4-2衰减器以及多芯光纤分路器8后再进入同轴三波导光纤9的其中一个环形纤芯9-1中。另一路通过4-3衰减器与控温光束一同进入wdm7中，再进入多芯光纤分路器8和同轴三波导光纤9的中间纤芯9-1中。激励光束由标准单模光纤17从激励光源1引出，经过衰减器4-1进入多芯光纤分路器8，然后进入同轴三波导光纤9的另一个环形纤芯9-2中，探测到的微球激光信号通过三端环形器6-1进入光谱仪15接收。控温光束由标准单模光纤17从控温光源3引出，经过环形器6-2和wdm7再进入多芯光纤分路器8，最后进入对应同轴三波导光纤的中间纤芯9-3中，探测到的微球周围温度环境的反馈信号通过三端环形器6-2进入光谱仪16接收。样品池中装满微球水溶液并稳定在载物台11上，光纤光镊10浸在的样品池中，用于实现同轴三波导光纤探针对微球捕获和操控，精密的位移操作过程通过显微物镜12，ccd13和计算机14组成的成像模块进行实时成像，如图10所示。

这里的细胞选用hek293人胚肾细胞18，这种细胞是生物学中常用来进行转染的哺乳动物细胞，细胞直径为13.8μm，将增益介质绿色荧光蛋白分子与细胞进行有机整合。系统工作时，捕获光束20的波长采用980nm，激励光束21波长采用480nm，两束光分别通入同轴三波导光纤9的两个同轴双环形芯9-1和9-2和中间纤芯9-3中。通入的两个波段光束在椎体圆台实现光反射，两环形芯光束在离光纤端面一段距离处汇聚成光阱。中间纤芯9-3同样通入980nm的捕获光20，对以捕获的细胞再进行精准操控调整细胞姿态，同时也通入中心波长为1550nm的宽谱控温光22，对细胞周围环境温度进行实时的监测和调控。当细胞所调整的位置满足于细胞18内增益物质微球19与另一个环形芯波导9-2所发出激发光的耦合条件时，增益介质被激发所产生的激光信号经微球谐振腔不断放大，当增益大于腔内的总损耗时，从而形成激光输出，激光信号23通过激励光束所在环形纤芯9-3返回被接收，再传输至环形器6-1，最后通过光谱仪15完成反馈路径，得到细胞激光光谱图，如图11所示。