一种基于光纤的二元衍射透镜的制作方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于光纤的二元衍射透镜，可用于制备基于光纤端的衍射透镜，可用于单细胞的操纵及分析、微机电系统实时监测、光成像以及光通讯等领域，属于纤维集成光学技术领域。

(二)

背景技术：

20世纪60年代，人们首次提出了集成光学的概念，从此揭开了光学元件及系统的微型化研究序幕。随着信息科技的不断进步，光学器件正朝着微型化、集成化方向发展，并不断开辟光学领域的新视野。

随着集成光学的不断发展，一些光波分复用器、光开关以及激光器都可以集成在一个微小芯片上，将各个功能集成到一起，大大减小了系统结构。

透镜是传统光学上重要的组成部分之一，也朝着更加微型化方向发展，例如王进报道了moems器件的硅微透镜阵列制造工艺(王进.moems器件的硅微透镜阵列制造工艺[j].仪表技术与传感器,2019(10):5-7.)。微透镜尺寸小，易集成，广泛的用在光操纵(yuanl,liuz,yangj,etal.twin-corefiberopticaltweezers[j].opticsexpress,2008,16(7):4559-66.)以及光学成像(刘嘉楠.微透镜阵列积分视场成像光谱仪的研究与设计[d].中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.)等领域。

光纤作为一种低损耗、可远距离传光的元件，在光纤器件和光纤传感方面得到了广泛的应用。由于光纤发散角很大，导致出射光在一段距离后损失很大，严重影响了实验的灵敏度。需要在光纤端面外加透镜组或自准直透镜来减小其发散角，但这种结构尺寸在毫米，尺寸远远大于光纤尺寸。由于这种因为系统太大，无法深入微小孔内，不利于在使用例如在微孔测量的实验。这时需要在光纤端面上直接制作微透镜即“光纤微透镜”，来实现光束的聚焦和准直。

2017年，刘新伟等人报道了微磨削斜面光纤透镜平面度试验研究(刘新伟,吕玉山,殷际东,李伟凡,李雨菲,赵国伟.微磨削斜面光纤透镜平面度试验研究[j].应用光学,2017,38(01):94-98.)，采用正交试验法对直径125μm单模光纤的30°斜面光纤透镜的微磨削进行了试验，通过试验磨削出了平面度误差为3μm的30°斜面光纤透镜。小角度的斜面一般用来减少反射光，而大角度一般用于光纤传感中，因为斜面的收光面积比平面大。

2018年，赵复生等人公开了一种端面带有菲涅尔透镜的光纤及其应用的传感器(申请号201821263256.1)。首先刚性基底上刻透镜结构的反模型，然后用硅烷处理透镜结构模型及基底，方便结构脱离。再将液态pdms涂布于基底表面的防粘图层上，充分除去气体，加热pdms使其固化，最后使用氧气等离子活化pdms结构及光纤体端面，将光纤体对准菲涅尔透镜中心插在pdms结构上直至两者形成永久的粘合，再使用刀片将多余的pdms结构去除掉，完成端面带有菲涅尔透镜的光纤的制备。

2019年，蒋金宏等人报道了采用楔形截顶光纤微透镜代替分立式透镜的直接耦合的方法，得到斜面倾角0.6rad、耦合距离60μm、半宽度15μm的楔形截顶光纤端面模型。(蒋金宏,李勇奇,吕欢祝,金琪,张克非.基于dfb激光器的楔形截顶光纤微透镜耦合结构[j].激光技术,2019,43(05):65-69.)

此外，光纤微透镜的制备方法还有很多，例如，拉锥法、化学腐蚀等。

研磨法制造光纤微透镜虽然可以满足单次实验的要求，但是，每次智能加工一根光纤，并且在研磨过程中要不断调整研磨角度和加工速度等参数，工艺复杂且成功率低；利用pdms在光纤端面制作透镜，需要制作掩膜版，还要经过浇铸、固化、光纤对准等一系列繁琐的步骤；化学腐蚀法制作的光纤锥形微透镜表面较为粗糙、机械强度较差、也会使得光强受到较大的损失；热熔拉锥法不易控制其尺寸。

本发明公开了一种基于光纤端的二元衍射透镜，将二元衍射透镜集成到光纤端，可用于单细胞的操纵及分析、微机电系统实时监测、光成像以及光通讯等领域。在同轴双波导光纤的一端焊接一段单模光纤用于激光输入，另一端焊接一段无芯光纤用于光场调控，在无芯光纤纤端利用飞秒加工技术直接加工二元衍射透镜，即完成基于光纤端的二元衍射透镜及制备。与在先技术相比，本发明利用飞秒激光加工系统直接在光纤端加工二元衍射透镜，集成度高，体积小，易于使用；利用飞秒激光加工技术，精度高、加工周期短且成品率高，可用于批量生产。

(三)

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种结构简单、加工方便、精度高且成品率高的基于光纤端二元衍射透镜及制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于光纤的二元衍射透镜。其特征是：它由单模光纤1、七芯光纤2、无芯光纤3、二元衍射透镜4组成。将七芯光纤2进行拉锥至锥区直径和单模光纤1相同，用切割刀从锥腰出切断并与单模光纤1焊接。七芯光纤2的另一端焊接一段无芯光纤3后，用定长度切割系统修剪，取最优无芯光纤长度。二元衍射透镜4是在无芯光纤3纤端用飞秒加工系统直接加工而成。

无芯光纤的长度为l，优选的l为450μm。

所述的单模光纤1为普通单模光纤，包层外径为125μm，纤芯直径为9μm。所述的七芯光纤2的尺寸优选为包层直径为150μm，纤芯直径8μm，芯间距42μm。

七芯光纤2也可以是双芯光纤、三芯光纤、四芯光纤、六芯光纤、七芯光纤等多芯光纤。

无芯光纤3可以是大芯径渐变折射率光纤。

无芯光纤3的纤端二元衍射透镜由飞秒激光加工系统雕刻而成，二元衍射透镜4优选为二元菲涅透镜，二元菲涅透镜的波带半径r由菲涅尔方程确定，相邻波带的光程差为λ，由几何光学知识，可以得到第n波带的半径为：

其中，f0是对应于第一衍射级次的主焦距，λ0是设计波长。

当f0＞＞λ0时，则第n波带的半径近似为：

故第n个环带半径rn为：

系统中采用的设计波长λ0为1550nm，焦距f0为200μm。

二元衍射透镜4的半径rn，其中n为12，r1至r12的值(单位：μm)分别为：17.6、24.9、30.5、35.2、39.4、43.1、46.6、49.8、52.8、55.7、58.4、61。

二元衍射透镜4制作：在偶数半波上带用飞秒激光微加工系统刻蚀深度为dμm的环形槽，使之与奇数半波带产生π的相位差，优选的，d为7.4μm。

二元衍射透镜4也可以是二元达曼光栅、闪耀光栅或阵列光栅。

(四)附图说明

图1是一种基于光纤的二元衍射透镜的光纤结构示意图。其中1是单模光纤，2是同轴双波导光纤，3是无芯光纤，4是二元衍射透镜。

图2是一种基于光纤的二元衍射透镜的光纤中光线轨迹示意图。201是七芯光纤2中的光线轨迹，202是光在无芯光纤3中的轨迹。

图3是一种基于光纤的二元衍射透镜的光纤端二元衍射透镜聚光示意图。301是入射光线，302是二元衍射透镜焦平面，303是会聚光线。

图4是一种基于光纤的二元衍射透镜的制备过程。3是无芯光纤，r1是光纤端二元衍射透镜的第一个环带半径，rn是光纤端二元衍射透镜的第一个环带半径。

图5是一种基于光纤的二元衍射透镜的制备过程。

图6是一种基于光纤的二元衍射透镜的微流芯片系统应用实例。

图7是一种基于光纤的二元衍射透镜的微流芯片应用实例中惯性力分选细胞示意图。其中，701是细胞液，702是目标细胞，703是废液。

图8是一种基于光纤的二元衍射透镜的微流芯片系统应用中细胞池内光纤操纵意图。其中631是细胞操纵池，303是衍射透镜输出的会聚光线，602是基于光纤的二元衍射透镜，604是单模光纤，801是单模光纤的激发光线和接收光线示意图

(五)具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

实施例1：基于光纤的二元衍射透镜制备过程。

基于光纤的二元衍射透镜光纤焊接过程如图5所示：

步骤1：将七芯光纤2插入合适的石英毛细管501内，适用氢氧焰502生成高温区，使石英毛细管501软化，实现熔融拉锥，石英毛细管501变细，在锥腰处的纤芯直径减小至和单模光纤1相等，内部的七芯光纤2的纤芯直径减小至9-10微米，和单模光纤1纤芯相同；

步骤2：在步骤1拉制得到的锥体，使用切割刀503在锥腰处切割；

步骤3：将步骤2中切割得到的锥体与单模光纤1对准，采用电极504产生的高温区进行二者的熔接，完成单模光纤1与七芯光纤2的焊接；

步骤4：取一段无芯光纤3，在步骤3制得的光纤基础上，采用电极504产生的高温区将无芯光纤3熔接至七芯光纤2另一端；

步骤5：利用定长度切割系统对无芯光纤3的长度进行切割，取最优长度。

无芯光纤3纤端二元衍射透镜4的飞秒系统加工步骤：

步骤1：将焊接好的光纤用酒精擦拭除尘，然后将光纤放入飞秒微加工系统的位移台上；

步骤2：设置频率为60khz，功率为4mw，选择50×，数值孔径0.42的物镜，使飞秒激光通过显微物镜聚焦到光纤端表面；

步骤3：在自己编写的上位机软件上画出图形并生成可执行代码，并执行代码。执行完成后光纤端有两个部分，一部分为未改性的部分，另一部分为改性后的部分；

步骤4：将利用飞秒激光扫描加工后的样品置于浓度5％的氢氟酸溶液，超声波清洗机辅助腐蚀，腐蚀约25min。

实施例2：基于光纤的二元衍射透镜微流芯片应用实例。

如图6所示的是基于光纤的二元衍射透镜的微流芯片应用实例系统图。其中微流芯片601主要包括细胞筛选620和细胞操纵621两个部分。第一部分，细胞筛选620包括微流控制器610、鞘液进液池622、细胞液进液池623、鞘液通道624、主通道626、第一级废液排出池625、目标细胞流通道627；第二部分，细胞操纵621包括单细胞流通道628、细胞操纵池631、第二级废液排出池629、目标细胞排出池630。二元衍射透镜光纤603和单模光纤604通过微槽嵌入。

二元衍射透镜光纤603和单模光纤604在单细胞流通道628的同一侧，二元衍射透镜光纤603与单细胞流通道628垂直，单模光纤604与微流通道呈一定角度θ，优选的，θ为45°。

微流芯片的通道宽度为wμm，w优选的为150；通道深度为hμm，h优选的为65。主通道626和单细胞流通道628长度为lcm，l优选为2。

微流芯片主要结构及工作流程为：鞘液通过微流控制器610注入鞘液进液池622，细胞液通过微流控制器610注入细胞液进液池623。在主通道626中，通过惯性力可以将大的细胞(如细胞液中的循环肿瘤细胞)从细胞液中分离，分离出来的目标细胞进入单细胞流通道628的入口，其他作为废液由第一级废液排出池625排出。单细胞流通道628的两边有鞘液通道624，在单细胞流通道628入口处，在两边的鞘液作用下目标细胞液变为单细胞流流入细胞操纵池631，在细胞操纵池631中，二元衍射透镜光纤603和单模光纤604对细胞进行操控。

图7所示的是细胞液在主通道分选过程示意图。其中，701是细胞液，702是目标细胞，703是废液。细胞液701从两边进入主通道626后，由于不同的细胞所受的力不同，可将目标细胞702分选出来。如图所示，大的细胞会受到一个旋转力f，使得大的目标细胞702会进入中间的鞘液中。

图8是一种基于光纤的二元衍射透镜的微流芯片系统应用中细胞操纵池631内光纤操纵细胞意图。结合图6及图8。其中631是细胞操纵池，303是二元衍射透镜602发出的会聚光线，602是二元衍射透镜光纤，604是单模光纤，801是单模光纤的激发光线和接收光线示意图。激光器602发出的捕获光经过二元衍射透镜光纤602会聚成一点，形成光阱力，将目标细胞702捕获。激光器605发出的激发光进入三端口环形器606的1#端口，由2#端口输出并通过单模光纤604照到目标细胞702上，目标细胞702的反射光仍由单模光纤604收集，反射光信号从单模光纤604进入三端口环形器606的2#端口，并从3#端口输出，进入光谱仪607，光谱仪接收到的光谱可以传输至计算机608进行处理。