專利名稱：基于陣列芯光纖的軸向陣列光鑷及光動力控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光纖技術研究領域。涉及一種軸向陣列式光鑷。本發(fā)明還涉及一種軸 向陣列式光鑷的光動力控制技術。
背景技術：
光學微手屬于一種特殊的光鑷。自從1986年Askin在Opt. Lett. 11，288-290上發(fā) 表文章"Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles”把單束激光引入高數(shù)值孔徑物鏡形成了三維光學勢阱，實現(xiàn)了對粒子的三維空 間控制，因為此光束可以實現(xiàn)空間對微小粒子的夾持，因此得名“光鑷”。它是利用光強度分 布的梯度力和散射力俘獲和操縱微小粒子的工具。光鑷技術發(fā)展迅速，成為重要的研究技 術手段，并促進了若干交叉領域的快速發(fā)展。例如在微小粒子的捕獲和搬運、皮牛級力的 測量、微機械與微器件的組裝等領域得到廣泛的應用。特別在生命科學領域，光鑷技術以其 非接觸式、無損探測的本質(zhì)特性顯示了其無與倫比的優(yōu)勢，對于推動生命科學的發(fā)展和微 生命體的操縱發(fā)揮了巨大的作用。光鑷俘獲的粒子尺度可以從幾納米到幾十微米，可以為 剛性顆粒，也可以是軟物質(zhì)顆粒；可以為無生命的顆粒，也可以是活體細胞或病毒。由傳統(tǒng)光鑷發(fā)展至光纖光鑷技術以來，產(chǎn)生多種光纖光鑷系統(tǒng)，例如=Lyons等人 發(fā)表“Confinement and bistability in a tapered hemisphericalIy lensed optical fiber trap” 一文，將兩根單模光纖的端面研磨成錐體，在錐體尖端形成一個半球面，使得 出射光束具有弱聚焦特性，將這兩根光纖成一定光軸夾角放置，交疊光場形成的光阱可以 實現(xiàn)微粒的捕獲和懸浮，該文章發(fā)表在Appl. Phys. Lett. 66，1584-1586，1995 ；為了進一步 對所捕獲的微小粒子的姿態(tài)進行控制，公開號為CN101149449的中國發(fā)明專利文件中又給 出了一種雙芯光纖光鑷。此后，又陸續(xù)出現(xiàn)了公開號為CN101236274的三芯光纖光學微手、 CN101236275的基于環(huán)形多芯光纖的光鑷和公開號為CN101251620的集成于單根光纖的多 光鑷等新型光鑷，它們都面臨著如何控制多光束光阱力的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在節(jié)約物理空間的同時，可大幅降低系統(tǒng)輸入光功 率，以減小對待捕獲粒子的傷害；對微粒的捕獲更加靈活、準確，具備可調(diào)節(jié)性；可以將捕 獲的粒子排列成一系列間距固定的空間位置的基于陣列芯光纖的軸向陣列光鑷。本發(fā)明的 目的還在于提供一種基于陣列芯光纖的軸向陣列光鑷的光動力控制方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的基于陣列芯光纖的軸向陣列光鑷包括陣列芯光纖、標準單模光纖、激光 光源和壓電陶瓷驅(qū)動裝置，激光光源與標準單模光纖的一端連接，標準單模光纖的另一端 與陣列芯光纖之間熔融拉椎耦合連接形成第一熔融拉椎耦合位置，與標準單模光纖連接后 的陣列芯光纖纏繞在壓電陶瓷驅(qū)動裝置上，經(jīng)過壓電陶瓷裝置的陣列芯光纖再次經(jīng)過熱熔 融拉椎操作形成第二熔融拉椎耦合位置，陣列芯光纖的末端經(jīng)精細研磨的加工方式制備成
3圓錐形狀。本發(fā)明的基于陣列芯光纖的軸向陣列光鑷還可以包括1、所述的陣列芯光纖的多個纖芯呈線性排列。2、所述的陣列芯光纖的纖芯分為兩組線性陣列，二組之間相互垂直。3、所述的陣列芯光纖的末端經(jīng)精密研磨加工制備成圓錐形狀的角度α滿足 π /2-arcsin(nliquid/ncore) < α < ji/2。本發(fā)明的基于陣列芯光纖的軸向陣列光鑷的光動力控制方法為將激光光源與標 準單模光纖的一端常規(guī)連接，標準單模光纖的另一端與陣列芯光纖之間熔融拉椎耦合連接 形成第一熔融拉椎耦合位置，之后將陣列芯光纖纏繞在壓電陶瓷驅(qū)動裝置上，再將經(jīng)過壓 電陶瓷裝置的陣列芯光纖再次經(jīng)過熱熔融拉椎操作形成第二熔融拉椎耦合位置，最后將陣 列芯光纖的末端經(jīng)精細研磨的加工方式制備成圓錐形狀；陣列芯光纖的末端形成光學勢阱 呈正四面體結構，在正四面體的頂點處形成光學勢阱；調(diào)節(jié)壓電陶瓷的驅(qū)動電路改變陣列 纖芯方向位移進行傳輸光束的相位控制，實現(xiàn)功率分配與調(diào)整，達到控制該軸向陣列光鑷 光阱力分布。本發(fā)明提出了一種基于陣列芯光纖的軸向陣列光鑷的光動力控制技術，這種軸 向陣列光鑷的主要優(yōu)點在于這種陣列芯光纖軸向陣列光鑷將多個光波導纖芯集成于一根 光纖中，在節(jié)約了物理空間的同時，可大幅降低系統(tǒng)輸入光功率，以減小對待捕獲粒子的傷 害；同時，多芯光纖組合光鑷對微粒的捕獲更加靈活、準確，具備可調(diào)節(jié)性，大大提高了光纖 光鑷技術的實用性；更為重要的是該軸向陣列光纖光鑷可以在光纖端形成軸向分布的系列 光學勢阱，可以將捕獲的粒子排列成一系列間距固定的空間位置，實現(xiàn)微小粒子的顯微精 細操作。本發(fā)明的優(yōu)點和特點是1.本發(fā)明將陣列芯光纖引入光鑷控制系統(tǒng)，利用一根光纖中的多個陣列分布的光 波導纖芯構成空間分布的干涉網(wǎng)格光場，在節(jié)約物理空間的基礎上還極大的減小了系統(tǒng)的 輸入光功率，降低對微粒的傷害；2.本發(fā)明實現(xiàn)在一根光纖中的多芯光纖出射網(wǎng)格光場的相干加強處形成多個 光學勢阱，可用于對多個微觀粒子的篩選和批量操縱，甚至特定位置的空間排列等顯微操 作；3.本發(fā)明將通過多芯光纖實現(xiàn)致密的干涉網(wǎng)格分布的光學勢阱，簡單、有效的控 制三維出射光場光阱力的分布，實現(xiàn)光阱力的人為主觀控制。


圖1基于線列芯光纖的軸向陣列光鑷系統(tǒng)結構示意圖。圖2陣列芯光纖剖面結構示意圖。圖3光鑷系統(tǒng)光動力控制原圖理及等效示意圖。圖4陣列芯光纖端研磨角度示意圖。圖5(a)_(c)該陣列芯光纖的軸向陣列光阱力光場結構示意圖。圖6陣列芯光纖(直線形分布)結構示意圖。圖7直線形陣列芯光纖二維光阱力分布示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述圖1中，1為陣列芯光纖，2標準單模光纖，3激光光源，4壓電陶瓷驅(qū)動裝置，5標準 單模光纖與陣列芯光纖耦合連接位置，6陣列芯光纖熔融拉椎位置，1-2陣列芯光纖纖芯， 1-3陣列芯光纖加工制備而得的椎體結構，1-4形成的空間分布的光阱力勢阱。系統(tǒng)通過調(diào) 節(jié)壓電陶瓷驅(qū)動裝置4，可以調(diào)節(jié)5和6之間形成的馬赫澤德干涉儀結構的陣列芯光纖纖芯 中傳輸激光光束的相位差，實現(xiàn)光阱力的動力學控制。圖2中，1為陣列芯光纖，1-2陣列芯光纖纖芯，共有8個纖芯。每4個纖芯呈線性 排列，兩組線性排列的纖芯又相互垂直分布。圖3中，圖3-1為連接示意圖，圖3-2為等效示意圖。該種方法連接光纖，等效于 在5和6位置形成8光束馬赫澤德干涉儀結構，通過調(diào)節(jié)壓電陶瓷驅(qū)動裝置4可實現(xiàn)該光 鑷系統(tǒng)光阱力的動力學控制。其中，1為陣列芯光纖，2標準單模光纖，3激光光源，4壓電陶 瓷驅(qū)動裝置，5標準單模光纖與陣列芯光纖耦合連接位置，6陣列芯光纖熔融拉椎位置。圖4中，1為陣列芯光纖，1-2陣列芯光纖纖芯，1-3陣列芯光纖加工制備而得的椎 體結構。為了保證出射光經(jīng)過圓錐面折射后能夠形成相互交叉的組合光束，半錐角α控制 在 π/^arcSin(IilitiuidAwe) < α < π/2 的范圍內(nèi)。對于纖芯折射率 n。 e = 1.4868，包 層折射率n。ladding = 1. 4571，和光纖光鑷所處的液體折射率11_ = 1. 333的情況下，該半錐 角的范圍應控制在26. 3° -90°之間。圖5(a)為四個纖芯在一條直線上分布時產(chǎn)生的2維結構的空間光阱力光場，圖 5(b)為兩列線性分布纖芯產(chǎn)生的相互交疊的光阱力光場，圖5 (c)為該8芯交叉分布式陣列 光纖產(chǎn)生的光阱力光場分布三維立體結構示意圖。圖6陣列芯光纖(直線形分布)結構示意圖。與實施例一不同的是該陣列芯光纖 的8個纖芯1-2呈直線形分布。圖7中，1-2陣列芯光纖纖芯，1-4形成的空間分布的光阱力勢阱，1-5為捕獲住的 微小粒子。直線形分布的陣列芯纖芯形成的光阱力分布光場為二維結構，可用于微小粒子 的二維操作。結合圖1，本發(fā)明的陣列芯光纖軸向陣列式光鑷包括，前端經(jīng)精細研磨加工制備而 成圓錐結構的陣列芯光纖1，用于在出射空間形成多個的光學勢阱干涉分布光場；該陣列 芯光纖1與標準單模光纖2之間通過熱熔融拉椎耦合的方式連接；為了實現(xiàn)出射光場的光 阱力動力學控制，需構建馬赫澤德干涉儀結構，因此需要在纏繞在PZT驅(qū)動裝置4兩側的陣 列芯光纖1進行熔融拉椎操作。本實施方式的組合光鑷的制作過程實施例一步驟1，光源注入結合圖1，將與陣列芯光纖1 (剖面結構示意圖如圖2所示)進 行涂敷層祛除、與普通標準單模光纖2常規(guī)焊接，然后進行熱熔融拉錐操作，過程中進行光 功率監(jiān)測，直到耦合到陣列芯光纖1的光功率達到最大且各纖芯光功率分布均勻時為止。 標準單模光纖的另一端與激光光源3常規(guī)連接，這樣將激光束導入到該陣列芯光纖1中。步驟2，纏繞光纖結合圖3，為了構建馬赫澤德干涉儀對陣列形纖芯心中傳輸?shù)?br> 5光束進行相位調(diào)制，將導入光源的陣列芯光纖1纏繞在壓電陶瓷設備4上，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電 路改變多個纖芯方向位移以進行傳輸光束的相位控制，來實現(xiàn)此軸向陣列光鑷中多光束的 功率分配與調(diào)整，最終達到控制陣列芯光纖多個光阱力分配的目的；步驟3，干涉儀制備結合圖3，為了實現(xiàn)馬赫澤德干涉儀結構，須將纏繞過壓電陶 瓷4的陣列芯光纖1在位置6處進行熔融拉錐，過程中進行光功率監(jiān)測，直到耦合到陣列芯 光纖的光功率達到最大時為止；這樣在位置5和6之間可構成馬赫澤德干涉儀結構，通過調(diào) 節(jié)壓電陶瓷驅(qū)動裝置4實現(xiàn)該光纖光鑷光阱力的控制；步驟4，錐體研磨結合圖4，將前序操作后的陣列芯光纖1的另一端進行精細研 磨，制備成圓錐體形狀1-3，為了保證出射光經(jīng)過圓錐面折射后能夠形成相互交叉的組合光 束，半錐角α控制在Ji/2-arCSin(nii(luid/n。。J < α < π/2的范圍內(nèi)。對于纖芯折射率 ncore = 1. 4868，包層折射率n。ladding = 1. 4571，和光纖光鑷所處的液體折射率nwatCT = 1. 333 的情況下，該半錐角的范圍應控制在26. 3° -90°之間。步驟5，錐體拋光將上述研磨好的光纖錐體進行拋光，在顯微鏡下經(jīng)過檢測合格 后，放在超聲清洗槽中清洗、烘干備用；步驟6，篩選排列結合圖5，將整個系統(tǒng)連接完畢之后，調(diào)節(jié)壓電陶瓷6的驅(qū)動 電路改變陣列纖芯方向位移以進行傳輸光束的相位控制，來實現(xiàn)此光纖光學微手中光束的 功率分配與調(diào)整，最終達到控制該軸向陣列光鑷光阱力分布目的。在光纖端形成的軸向陣 列式正四面體結構光阱力光場，可以實現(xiàn)微小粒子的有規(guī)律排列篩選和空間定位等顯微操作。實施例二步驟1，光源注入結合圖1，將與陣列芯光纖1(剖面結構示意圖如圖6所示)進 行涂敷層祛除、與普通標準單模光纖2常規(guī)焊接，然后進行熱熔融拉錐操作，過程中進行光 功率監(jiān)測，直到耦合到陣列芯光纖1的光功率達到最大且各纖芯光功率分布均勻時為止。 標準單模光纖的另一端與激光光源3常規(guī)連接，這樣將激光束導入到該陣列芯光纖1中。步驟2，纏繞光纖結合圖3，為了構建馬赫澤德干涉儀對陣列形纖芯心中傳輸?shù)?光束進行相位調(diào)制，將導入光源的陣列芯光纖1纏繞在壓電陶瓷設備4上，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電 路改變多個纖芯方向位移以進行傳輸光束的相位控制，來實現(xiàn)此軸向陣列光鑷中多光束的 功率分配與調(diào)整，最終達到控制陣列芯光纖多個光阱力分配的目的；步驟3，干涉儀制備結合圖3，為了實現(xiàn)馬赫澤德干涉儀結構，須將纏繞過壓電陶 瓷4的陣列芯光纖1在位置6處進行熔融拉錐，過程中進行光功率監(jiān)測，直到耦合到陣列芯 光纖的光功率達到最大時為止；這樣在位置5和6之間可構成馬赫澤德干涉儀結構，通過調(diào) 節(jié)壓電陶瓷驅(qū)動裝置4實現(xiàn)該光纖光鑷光阱力的控制；步驟4，錐體研磨結合圖4，將前序操作后的陣列芯光纖1的另一端進行精細研 磨，制備成圓錐體形狀1-3，形成如圖7所示的光阱力光場，為了保證出射光經(jīng)過圓錐面 折射后能夠形成相互交叉的組合光束，半錐角α控制在Ji/2-arCSin(ni_d/n。。J < α < ^/2的范圍內(nèi)。對于纖芯折射率η。_ = 1.4868，包層折射率n。ladding = 1.4571，和光纖 光鑷所處的液體折射率nwatCT = 1. 333的情況下，該半錐角的范圍應控制在26. 3° -90°之 間。步驟5，錐體拋光將上述研磨好的光纖錐體進行拋光，在顯微鏡下經(jīng)過檢測合格后，放在超聲清洗槽中清洗、烘干備用； 步驟6，篩選排列結合圖5，將整個系統(tǒng)連接完畢之后，調(diào)節(jié)壓電陶瓷6的驅(qū)動電 路改變陣列纖芯方向位移以進行傳輸光束的相位控制，來實現(xiàn)此光纖多光束的功率分配與 調(diào)整，最終達到控制該軸向陣列光鑷光阱力分布目的。在光纖端形成的軸向陣列式正四面 體結構光阱力光場，可以實現(xiàn)微小粒子的有規(guī)律排列篩選和空間定位等顯微操作。
權利要求
一種基于陣列芯光纖的軸向陣列光鑷，包括陣列芯光纖、標準單模光纖、激光光源和壓電陶瓷驅(qū)動裝置，其特征是激光光源與標準單模光纖的一端連接，標準單模光纖的另一端與陣列芯光纖之間熔融拉椎耦合連接形成第一熔融拉椎耦合位置，與標準單模光纖連接后的陣列芯光纖纏繞在壓電陶瓷驅(qū)動裝置上，經(jīng)過壓電陶瓷裝置的陣列芯光纖再次經(jīng)過熱熔融拉椎操作形成第二熔融拉椎耦合位置，陣列芯光纖的末端經(jīng)精細研磨的加工方式制備成圓錐形狀。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于陣列芯光纖的軸向陣列光鑷，其特征是所述的陣列芯 光纖的多個纖芯呈線性排列。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于陣列芯光纖的軸向陣列光鑷，其特征是所述的陣列芯 光纖的纖芯分為兩組線性陣列，二組之間相互垂直。
4.根據(jù)權利要求1、2或3根據(jù)權利要求1所述的基于陣列芯光纖的軸向陣列光鑷，其 特征是所述的基于陣列芯光纖的軸向陣列光鑷，其特征是所述的陣列芯光纖的末端經(jīng) 精密研磨加工制備成圓錐形狀的角度α滿足Ji/2-arCSin(nli(luid/n。。J < α < π/2。
5.一種基于陣列芯光纖的軸向陣列光鑷的光動力控制方法，其特征是將激光光源與 標準單模光纖的一端常規(guī)連接，標準單模光纖的另一端與陣列芯光纖之間熔融拉椎耦合連 接形成第一熔融拉椎耦合位置，之后將陣列芯光纖纏繞在壓電陶瓷驅(qū)動裝置上，再將經(jīng)過 壓電陶瓷裝置的陣列芯光纖再次經(jīng)過熱熔融拉椎操作形成第二熔融拉椎耦合位置，最后將 陣列芯光纖的末端經(jīng)精細研磨的加工方式制備成圓錐形狀；陣列芯光纖的末端形成光學勢 阱呈正四面體結構，在正四面體的頂點處形成光學勢阱；調(diào)節(jié)壓電陶瓷的驅(qū)動電路改變陣 列纖芯方向位移進行傳輸光束的相位控制，實現(xiàn)功率分配與調(diào)整，達到控制該軸向陣列光 鑷光阱力分布。
全文摘要
本發(fā)明提供的是基于陣列芯光纖的軸向陣列光鑷及光動力控制方法。激光光源與標準單模光纖的一端連接，標準單模光纖的另一端與陣列芯光纖之間熔融拉椎耦合連接形成第一熔融拉椎耦合位置，與標準單模光纖連接后的陣列芯光纖纏繞在壓電陶瓷驅(qū)動裝置上，經(jīng)過壓電陶瓷裝置的陣列芯光纖再次經(jīng)過熱熔融拉椎操作形成第二熔融拉椎耦合位置，陣列芯光纖的末端經(jīng)精細研磨的加工方式制備成圓錐形狀。本發(fā)明在節(jié)約物理空間的同時，可大幅降低系統(tǒng)輸入光功率，以減小對待捕獲粒子的傷害；對微粒的捕獲更加靈活、準確，具備可調(diào)節(jié)性；可以在光纖端形成軸向分布的系列光學勢阱，將捕獲的粒子排列成一系列間距固定的空間位置，實現(xiàn)微小粒子的顯微精細操作。
文檔編號G02F1/055GK101893736SQ20101019740
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月11日 優(yōu)先權日2010年6月11日
發(fā)明者張羽, 楊軍, 苑立波 申請人:哈爾濱工程大學