阅读说明：本技术 基于光学锐边衍射的单光纤光镊 (Single optical fiber optical tweezers based on optical sharp edge diffraction ) 是由 邓洪昌 宋念念 罗中岳 苑立波 于 2021-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供的是基于光学锐边衍射的单光纤光镊。其特征是：所述器件由环形芯光纤1、锥形纤端2、纤端金属膜3组成。本发明基于光学锐边衍射和狭缝衍射实现多个汇聚焦点输出光场,实现对微纳颗粒的稳定多点捕获,由于光学锐边衍射和狭缝衍射效应,不同波长或偏振态经过纤端金属膜有不同的衍射汇聚效果,最终通过改变环形芯的输入光波长或偏振态可以实现输出光场汇聚点的调控,从而实现对微纳颗粒的捕获数量、捕获位置、运动状态的动态调控。本发明不仅实现了对粒子的定向捕获,而且还提高了光纤光镊的操控精度,极大地改善了光纤光镊的捕获特性。该装置主要用于光场调控、光捕获和光操纵等领域。(The invention provides single optical fiber optical tweezers based on optical sharp edge diffraction. The method is characterized in that: the device consists of an annular core optical fiber 1, a conical fiber end 2 and a fiber end metal film 3. The invention realizes a plurality of convergent focus output light fields based on optical sharp edge diffraction and slit diffraction, realizes stable multi-point capture of micro-nano particles, has different diffraction convergence effects on different wavelengths or polarization states through a fiber end metal film due to the optical sharp edge diffraction and slit diffraction effects, and finally can realize regulation and control of the convergent points of the output light fields by changing the input light wavelength or polarization state of the annular core, thereby realizing dynamic regulation and control of capture quantity, capture positions and motion states of the micro-nano particles. The invention not only realizes the directional capture of the particles, but also improves the control precision of the optical tweezers, and greatly improves the capture characteristic of the optical tweezers. The device is mainly used in the fields of light field regulation and control, light capture, light manipulation and the like.)

基于光学锐边衍射的单光纤光镊

(一)

技术领域

本发明涉及的是基于光学锐边衍射的单光纤光镊，可用于本发明可用于光场调控、光捕获和光操纵等领域。

(二)

背景技术

1970年，美国贝尔实验的Ashkin等人[Optics Letters,18(5):288-290,1986] 首先提出光纤光镊的概念。他们利用光压操纵微小粒子，利用多光束激光的二维势阱成功夹起并移动了水溶液中的小玻璃珠，后来，这种激光夹持微粒的技术经过不断改进，所能捕获的粒子尺寸越来越小。光镊技术使用激光束来实现对尺度在微米、纳米量级的微粒进行非机械接触式的捕获和操作，对微粒不会产生机械损伤，因而几乎不影响粒子的周围生物环境。此外，通过标定光镊可以测量微粒系统产生的力或位移。此外，光镊还可以用于微流控制，胶体、流体力学和非平衡热动力学促进生物化学、生物物理学等研究领域的发展。

与传统光镊相比，光纤光镊具有结构简单、价格便宜、传输光路柔性强及捕获范围大等优点。光纤光镊系统是利用经处理后的光纤端面改变出射的激光束来实现对粒子的微操控。传统的光镊通常是基于光学显微镜系统构建的，虽然技术成熟，但是其结构复杂缺乏柔性，体积庞大、造价昂贵并且操作技能要求高。而光纤光镊形成的光阱操纵灵活，系统自由度大。其用于细胞操作的非接触力，精确到100aN的力分辨率以及对液体介质环境的亲和力，可以将其应用于外来物质输送到单细胞、将细胞输送到特定位置以及在微流体系统中对细胞进行分选等干细胞输送、组织工程和再生医学领域。

中国专利(CN102147500A、CN101950049A、CN101907742A、 CN101893736A、CN101881858A)提出了基于多芯光纤的单光镊技术，该技术虽然能够解决单光纤光镊在捕获粒子的基础上更进一步操作粒子的功能，但是始终没有能够解决微粒横向位移可调问题的单光纤光镊。此后，基于环形多芯光纤的光镊(CN101236275)和集成于单根光纤的多光镊(CN101251620)又陆续被提出。这些新型光镊都能实现对微粒的捕获、定位、旋转等功能，但是，它们都存在较难控制多光束光阱力的问题，在分析单根多芯光纤汇聚在纤端光场时较为复杂，对微粒的操控精度大大下降；此外多芯光纤复杂的纤芯结构，还存在光源注入纤芯之间的光功率分配问题。

为了拓展特种光纤器件的功能，更加灵活地捕获和操纵微粒，本专利提出了一种基于光学锐边衍射的单光纤光镊，在基于光学锐边衍射的前提下，通过改变通入光纤光镊的光波长或偏振态，控制汇聚焦点位置和数量的调整，最终实现对多个微纳粒子的捕获数量、捕获位置、运动状态的动态调控。

(三)

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光学锐边衍射的单光纤光镊实现对多微粒的操控，并实现对粒子的捕获数量、捕获位置、运动状态的动态调控。

本发明的目的是这样实现的：

该基于光学锐边衍射的单光纤光镊是由环形芯光纤、锥形纤端以及纤端金属膜组成。其中，环形芯光纤纤端经过研磨形成锥形纤端，激光光源通入环形芯光纤后形成传导模场，在满足全内反射的条件下，传导模场在锥形纤端表面发生全反射形成汇聚光束，汇聚光束经过纤端金属膜的锐边和微孔后由于光学锐边衍射和狭缝衍射形成多级高阶衍射光束，多级高阶衍射光束在传输过程中发生强汇聚，并在光轴上干涉形成多个汇聚焦点(如图2所示)，最后将多个微纳粒子稳定地捕获在多个汇聚焦点附近。

激光光源通入环形芯光纤形成的传导模场，在锥形纤端发生全反射，根据斯涅尔定理(Snell law)和简单的角度关系，发生全内反射，环形芯光纤的锥形纤端底角θ和出射光纤的汇聚角需要满足以下关系：

θ＞θ_c＝arcsin(nc2/nc0) (1)

这里θ_c表示光波入射到纤芯与外界媒质分界面上的全反射临界角，nc2表示外界媒介折射率，nc0表示纤芯折射率。

当满足公式(1)后，不难发现经过锥形纤端的传导模场会发生一次汇聚，汇聚光束经过包层后到达纤端金属膜，由于光学锐边衍射和狭缝衍射形成如图2所示的多个汇聚焦点的衍射光场，其中光学锐边衍射以及光束汇聚原理如下：当入射平面波经过一个可以用理想阶跃函数f(x)＝step(x)描述的障碍物边界时会发生严重的衍射，从而产生比初始波矢k₀理想的高空间频率波矢k_j(j＝1、2、 3…)。在傅里叶空间，阶跃函数的反函数为：

F(f_x)＝1/2δ(f_x)+1/(i2πf_x) (3)

δ表示狄拉克函数，f_x代表x坐标方向的空间频率w分量，由此可知，除了零阶衍射分量，衍射波还包含有连续的非零分布的高阶波矢k_j，在本发明中所提出的纤端金属膜是一种圆形环孔结构，其轮廓的空间分布函数为：

f(ρ)＝1-circ(ρ_i) (4)

其中，当ρ_i<ρ₁或ρ₂<ρ_i<ρ₃，circ(ρ_i)＝0；ρ₁<ρ_i<ρ₂，circ(ρ_i)＝1。ρ₁、ρ₂和ρ₃分别表示三个圆的半径。由于圆形环孔结构的锐边和中央金属膜轮廓呈圆形，光波经过圆形障碍物在x-y平面上沿圆周产生幅值发散，导致高空间频率衍射分量在倒易空间呈圆柱形分布，在特定频率下，同相位高空间频率波矢k_j会发生相长干涉，并结合狭缝衍射，最后汇聚干涉产生多个汇聚焦点。同圆形环孔结构的纤端金属膜一致，该出射光场也具有环形分布特征，并在自由空间中传输形成多个汇聚焦点。值得注意的是，该多级高阶衍射光束对不同波长和偏振态光波的响应具有非常明显的区别。从它们汇聚点的数量和位置可以发现，入射光波长和偏振态都会改变输出光场形成汇聚点的数量和位置，如图3、4。

本发明的有益效果在于：

提出一种基于光学锐边衍射的单光纤光镊。该发明利用光学锐边衍射的偏振态响应以及狭缝衍射的波长调控作用实现多级高阶衍射光束的改变和多个汇聚焦点位置和数量的调整，最终实现多个微纳粒子捕获数量、捕获位置、运动状态的动态调控，在生物医学等研究领域具有重要应用价值。

(四)

附图说明

图1是基于光学锐边衍射的单光纤光镊的结构示意图。由环形芯光纤 1、锥形纤端2、纤端金属膜3组成，其中环形芯光纤1由环形纤芯101和包层 102构成；纤端金属膜由锐边301和微孔302构成。

图2是基于光学锐边衍射的单光纤光镊中光场功率分布图。

图3是基于光学锐边衍射的单光纤光镊波长调控示意图。图3(a)是基于光学锐边衍射的单光纤光镊在输入光波波长为760nm，模式为TE模(横电纤芯模式)的光场功率分布图；图3(b)是基于光学锐边衍射的单光纤光镊在输入光波波长为980nm，模式为TE模的光场功率分布图；图3(c)是基于光学锐边衍射的单光纤光镊输入光波波长为760nm和980nm的光场功率曲线图。

图4是基于光学锐边衍射的单光纤光镊偏振态响应示意图，输入光波波长为980nm。图4(a)是基于光学锐边衍射的单光纤光镊在输入光波模式为TM 模(横磁纤芯模式)的光场功率分布图；图4(b)是基于光学锐边衍射的单光纤光镊在输入光波模式为TE模的光场功率分布图；图4(c)是基于光学锐边衍射的单光纤光镊输入光波模式为TM和TE的光场功率曲线图。

图5是磨锥制得锥形纤端的制备示意图。由光纤夹具、环形芯光纤、研磨盘组成。

图6(a)是拉锥制得弧形锥面的锥形纤端的制备示意图。锥形纤端制备系统是由CMOS相机601、左手拉锥平台602、加热平台603、右手拉锥平台 604、加热系统605、光纤对准、拉锥系统606、光纤图像检测系统607、硬件系统操控平台608、光纤图像609以及计算机操控系统610组成。图6(b)是弧形锥面的锥形纤端的结构示意图。

图7是基于聚焦离子束刻蚀制备纤端金属膜的过程示意图。

图8是环形芯光纤横截面结构示意图。(a)图是环形芯光纤结构示意图，由环形纤芯101以及包层102组成。(b)表示双芯光纤，一类呈圆形、椭圆以及三角形、矩形或其他多边形分布的阵列多芯光纤的截面图，以双芯，呈三角形、圆形阵列分布的多芯光纤为例。

图9给出了纤端金属膜横截面结构示意图。(a)表示不同锐边形状，以圆形、正方形、八边形为例；(b)表示不同的微孔结构，有由大小相同的圆孔单元按圆形阵列排列的微孔结构、由大小相同的六边形单元按六边形阵列分布的微孔结构以及由大小不同的圆孔单元按圆形阵列分布的微孔结构；(c)表示锐边和微孔同时变化的纤端金属膜结构。

图10是基于光学锐边衍射的单光纤光镊的系统示意图。

(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。

结合图1，本发明提供的是一种基于光学锐边衍射的单光纤光镊。其特征是：所述器件由一段环形芯光纤1组成，锥形纤端2、纤端金属膜3组成，其中，环形芯光纤1由环形纤芯101和包层102构成，纤端金属膜由锐边301和微孔302构成；本发明的实施方式是利用激光光源4给环形芯光纤1通光形成传导模场5，在满足全内反射的条件下，传导模场5在锥形纤端2的表面发生全反射形成汇聚光束6，汇聚光束6经过纤端金属膜3的锐边301和微孔302的光衍射后形成多级高阶衍射光束7，多级高阶衍射光束7在传输过程中发生强汇聚并在光轴上干涉形成多个汇聚焦点8。此外由于光学锐边衍射的偏振态响应以及狭缝衍射的波长调控作用，通过改变光源4注入光的波长或偏振态就可以实现对焦点位置以及数量的控制，最后实现对微纳颗粒的操控。

以环形芯光纤为例，基于光学锐边衍射的多微粒捕获光纤光镊的制备过程分为以下两个步骤：

步骤1、锥形纤端的制备。方法一：光纤纤端研磨(如图5)将环形芯光纤502取一段用光纤夹具501固定住，然后将纤端放置在研磨盘503上，夹具 501与光纤研磨盘503分别有各自的直流电机相连接，通过控制夹具501与研磨盘503盘面法线θ夹角自转来制备倾斜角为θ的锥形纤端；方法二：光纤拉锥 (如图6)光纤去除涂覆层后固定在光纤夹具上，控制控制系统驱动承载光纤的左手电控位移平台602以及右手电控位移平台604，将光纤送至CMOS相机601 视野范围内，在视野区通过自动调焦系统将光纤对焦获得清晰图像609，图像可以通过计算机操控系统610进行显示。计算光纤几何参数与位姿信息并作为反馈量，通过调节左右手五个维度的微动执行装置，实现光纤波导与加热装置的对准。驱动电加热装置608将熔融区送至波导对准位置进行加热，用左、右手电控位移平台对光纤进行一定速度下的拉伸，拉锥完成后，在中心点用光纤切割刀进行切割，最终形成具有弧形锥面的锥形纤端。

步骤2、纤端金属膜结构微加工(如图7)：首先在倾斜角度为θ的光纤锥形701表面沉积一定厚度的金膜703，然后使用聚焦离子束刻蚀技术704，刻蚀出一定大小尺寸的圆形和环形金膜结构705。

可选的，环形芯光纤可以用双芯光纤或者呈圆形、椭圆以及三角形、矩形或其他多边形分布的阵列多芯光纤中的任意一种替代(如图8)。

可选的，其中纤端金属膜的锐边轮廓形状可以是圆形、椭圆形、三角形、矩形或其他多边形的一种，纤端金属膜的微孔可以是呈圆形、椭圆形、三角形、矩形或其他多边形分布的大小相同或不同的单孔或阵列多孔结构中的一种 (如图9)。

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

步骤1、基于光学锐边衍射的单光纤光镊的制备：按照实施方式的实现锥形纤端制备和纤端金属膜制备的步骤制备出单光纤光镊。

步骤2、光信号输入(如图10)。首先将单芯光纤和环形芯光纤拉锥熔融为一根光纤，然后由激光器1输出光信号，光信号经过光源控制模块3，通过反馈信号与控制信号借助计算机4控制输出光波长和偏振态，最后光信号从光源控制模块3进入光纤6中。

步骤3、操控微粒(如图10)。首先借助夹持工具5将光纤6固定在样品池7正上方，然后控制计算机4调节光源控制模块3从而控制输入光纤中光波的波长或偏振态，纤芯传输的光波经过锥形纤端全反射后衍射到纤端金属膜结构，最后在纤端表面形成多个汇聚焦点的衍射光场进而捕获微粒，通过操控计算机4改变光波波长或偏振态可以进一步对微粒进行推拉、牵引等操作。