專利名稱：基于多芯保偏光纖的陣列式光鑷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖技術(shù)研究領(lǐng)域，涉及的是一種陣列式光鑷。本發(fā)明還涉及一種陣 列式光鑷的制備方法。
背景技術(shù)：
光鑷是利用光強(qiáng)度分布的梯度力和散射力俘獲和操縱微小粒子的工具。1986 年 Askin 在"Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles” 一文中提出一種基于單束激光的三維光學(xué)勢阱，用于實(shí)現(xiàn)對粒子 的三維空間控制，因?yàn)榇斯馐梢詫?shí)現(xiàn)空間對微小粒子的夾持，因此得名“光鑷”，這篇文章 發(fā)表在Opt. Lett. 11，288-290。此后，光鑷技術(shù)發(fā)展迅速，成為重要的研究技術(shù)手段，并促進(jìn) 了若干交叉領(lǐng)域的快速發(fā)展。例如在微小粒子的捕獲和搬運(yùn)、皮牛級力的測量、微機(jī)械與 微器件的組裝等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。特別在生命科學(xué)領(lǐng)域，光鑷技術(shù)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(xué)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(xì)胞或病毒。由傳統(tǒng)光鑷發(fā)展至光纖光鑷技術(shù)以來，產(chǎn)生多種光纖光鑷系統(tǒng)，例如E. R. Lyons 等人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(shí)現(xiàn)微粒的捕 獲和懸浮，這篇文章于1995年發(fā)表在Appl. Phys. Lett. 66，1584-1586 ；為了進(jìn)一步對所 捕獲的微小粒子的姿態(tài)進(jìn)行控制，名為“用來俘獲微小粒子的雙芯單光纖光鑷及其制作方 法”，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 公開了基于環(huán)形多芯光纖的光鑷，公開號為CN101236275 ；和集成于單根光纖的多光鑷，公 開號為CN101251620等新型光鑷。這些新型光鑷多能實(shí)現(xiàn)對單個微粒進(jìn)行捕獲、空間定位、 使其空間旋轉(zhuǎn)等功能，但很少見到可同時對多個粒子進(jìn)行操作的單光纖光鑷。

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(zhǔn)確，具備可調(diào)節(jié)性；可以在光 纖端形成致密的干涉網(wǎng)格光場陣列，在相干加強(qiáng)點(diǎn)形成光學(xué)勢阱對粒子實(shí)現(xiàn)篩選等功能的 基于多芯保偏光纖的陣列式光鑷。本發(fā)明的目的還在于提供一種陣列式光鑷的制備方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的陣列式光鑷包括多芯保偏光纖、標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和激光光源，激光光源與 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的一端連接，標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的另一端與多芯保偏光纖之間熔融拉椎耦合連 接，多芯保偏光纖的另一端經(jīng)熔融拉椎加工制備成椎體形狀。所述的多芯保偏光纖是雙芯、三芯或四芯微結(jié)構(gòu)光纖。本發(fā)明的陣列式光鑷是采用這樣的方法來制備的
步驟1，端面制備取一段多芯光纖，所述多芯光纖是雙芯、三芯或四芯保偏微結(jié) 構(gòu)光纖，采用熱熔拉椎的方式將此多芯光纖的一端拉制成椎體形狀，待冷卻后用寶石刀將 端面切平，即將光纖端制備成椎體結(jié)構(gòu)；步驟2，耦合連接將制備好的端部為椎體結(jié)構(gòu)的多芯光纖的另一端進(jìn)行涂敷層 祛除，與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖常規(guī)焊接，然后進(jìn)行熱熔融拉錐操作，熱熔融拉錐操作過程中進(jìn)行光 功率監(jiān)測，直到耦合到多芯光纖的光功率達(dá)到最大且各纖芯光功率分布均勻時為止；步驟3，光源注入將與多芯光纖耦合連接后的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的另一端與激光光源 常規(guī)連接，即將激光束注入此陣列式光鑷系統(tǒng)中；步驟4，篩選操作打開激光光源，在多芯光纖的椎體結(jié)構(gòu)處形成致密的空間三維 分布的干涉網(wǎng)格，在每個相干加強(qiáng)點(diǎn)處形成一個光學(xué)勢阱，體積合適的微粒被穩(wěn)定的捕獲 在一個個光學(xué)勢阱中，實(shí)現(xiàn)微觀粒子的篩選。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)是1.本發(fā)明將多芯光纖引入陣列式光鑷控制系統(tǒng)，利用一根光纖中的多個光波導(dǎo)纖 芯構(gòu)成空間分布的干涉網(wǎng)格光場，在節(jié)約物理空間的基礎(chǔ)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(shí)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(qiáng)處形成多個光 學(xué)勢阱，可用于對微觀粒子的篩選和批量操縱；3.本發(fā)明將通過多芯光纖實(shí)現(xiàn)致密的干涉網(wǎng)格分布的光學(xué)勢阱，簡單、有效的控 制三維出射光場光阱力的分布，實(shí)現(xiàn)光阱力的人為主觀控制。


圖1多芯光纖陣列式光鑷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖(以雙芯光纖為例)。圖2(a)_(c)多芯光纖剖面圖，其中圖2(a)為雙芯、圖2(b)為三芯、圖2(c)為四
-I-H心。圖3拉椎和切割加工制得的多芯光纖端結(jié)構(gòu)示意圖(以三芯光纖為例)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述圖1多芯光纖陣列式光鑷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中以雙芯保偏光纖為例，給出該陣 列式光纖光鑷的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1為多芯光纖，1-1為多芯光纖纖芯，1-2為經(jīng)熱熔 融拉椎和切割制備的椎臺尖端結(jié)構(gòu)，2為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，3為激光光源，4為多芯光纖1與標(biāo) 準(zhǔn)單模光纖2耦合連接處。圖2多芯微結(jié)構(gòu)光纖剖面示意圖。圖中左側(cè)為雙芯光纖，中間為三芯光纖，右側(cè)為 四芯光纖，圖中陰影部分代表纖芯。圖3多芯光纖椎臺端結(jié)構(gòu)示意圖(以三芯光纖為例)。圖中，1為多芯光纖，1-1為 多芯光纖纖芯，1-2為經(jīng)熱熔融拉椎和切割制備的椎臺尖端結(jié)構(gòu)。在多芯光纖尖端進(jìn)行熱熔 融拉椎的目的是為了使出射光場會聚，獲得致密的空間干涉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的光學(xué)勢阱。本發(fā)明的基于多芯保偏光纖的陣列式光纖光鑷系統(tǒng)包括多芯保偏光纖1，標(biāo)準(zhǔn)單 模光纖2和激光光源3。激光光源3與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的一端2常規(guī)連接，標(biāo)準(zhǔn)單模光纖2的另一端與多芯保偏光纖1之間熔融拉椎耦合連接，多芯保偏光纖1的另一端經(jīng)熔融拉椎加 工制備成椎體形狀。多芯光纖可以是雙芯、三芯或四芯微結(jié)構(gòu)光纖；多芯光纖是保偏光纖， 即保證光束在此光纖中傳輸保證偏振態(tài)一致且穩(wěn)定；多芯光纖1與普通光纖2通過熔融拉 錐的方式連接，拉椎過程中監(jiān)測多芯光纖中各個纖芯的光功率分配，直到各個纖芯中耦入 的光功率最大且均勻時停止拉椎；多芯光纖與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖2連接后，另一端再經(jīng)熔融拉 椎的加工方式，制備出椎體形狀，待冷卻后將光纖端面切平，形成椎臺結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的基于多芯保偏光纖的陣列式光纖光鑷的制作過程步驟1，端面制備取一段多芯光纖1，此光纖可以是雙芯、三芯或四芯保偏微結(jié)構(gòu) 光纖，纖芯分布如圖2所示，采用熱熔拉椎的方式將此多芯保偏光纖1的一端拉制所需椎體 形狀，待冷卻后用寶石刀將光纖端面切平，即將光纖端制備成椎體結(jié)構(gòu)，如圖3所示。步驟2，耦合連接將制備好椎臺端結(jié)構(gòu)的多芯光纖1的另一側(cè)進(jìn)行涂敷層祛除， 與普通標(biāo)準(zhǔn)單模光纖2常規(guī)焊接，然后進(jìn)行熱熔融拉錐操作，過程中進(jìn)行光功率監(jiān)測，直 到耦合到多芯光纖1的光功率達(dá)到最大且各纖芯光功率分布均勻時為止。步驟3，光源注入結(jié)合圖1，將與多芯光纖1耦合連接后的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖2的另一 端與激光光源3常規(guī)連接，即將激光束注入此陣列式光鑷系統(tǒng)中。步驟4，篩選操作結(jié)合圖1，按照上述過程連接后，打開激光光源，在多芯光纖的 椎臺端處會形成致密的空間三維分布的干涉網(wǎng)格，在每個相干加強(qiáng)點(diǎn)處會形成一個光學(xué)勢 阱，體積合適的微粒會被穩(wěn)定的捕獲在一個個光學(xué)勢阱中，實(shí)現(xiàn)微觀粒子的篩選。
權(quán)利要求
一種基于多芯保偏光纖的陣列式光鑷，包括多芯保偏光纖、標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和激光光源，其特征是激光光源與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的一端連接，標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的另一端與多芯保偏光纖之間熔融拉椎耦合連接，多芯保偏光纖的另一端經(jīng)熔融拉椎加工制備成椎體形狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多芯保偏光纖的陣列式光鑷，其特征是所述的多芯保 偏光纖是雙芯、三芯或四芯微結(jié)構(gòu)光纖。
3.一種基于多芯保偏光纖的陣列式光鑷的制備方法，其特征是步驟1，端面制備取一段多芯光纖，所述多芯光纖是雙芯、三芯或四芯保偏微結(jié)構(gòu)光 纖，采用熱熔拉椎的方式將此多芯光纖的一端拉制成椎體形狀，待冷卻后用寶石刀將端面 切平，即將光纖端制備成椎體結(jié)構(gòu)；步驟2，耦合連接將制備好的端部為椎體結(jié)構(gòu)的多芯光纖的另一端進(jìn)行涂敷層祛除， 與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖常規(guī)焊接，然后進(jìn)行熱熔融拉錐操作，熱熔融拉錐操作過程中進(jìn)行光功率 監(jiān)測，直到耦合到多芯光纖的光功率達(dá)到最大且各纖芯光功率分布均勻時為止；步驟3，光源注入將與多芯光纖耦合連接后的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的另一端與激光光源常規(guī) 連接，即將激光束注入此陣列式光鑷系統(tǒng)中；步驟4，篩選操作打開激光光源，在多芯光纖的椎體結(jié)構(gòu)處形成致密的空間三維分布 的干涉網(wǎng)格，在每個相干加強(qiáng)點(diǎn)處形成一個光學(xué)勢阱，體積合適的微粒被穩(wěn)定的捕獲在一 個個光學(xué)勢阱中，實(shí)現(xiàn)微觀粒子的篩選。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于多芯保偏光纖的陣列式光鑷及其制備方法。包括多芯保偏光纖、標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和激光光源，激光光源與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的一端連接，標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的另一端與多芯保偏光纖之間熔融拉椎耦合連接，多芯保偏光纖的另一端經(jīng)熔融拉椎加工制備成椎體形狀。本發(fā)明將多個光波導(dǎo)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，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(zhǔn)確，具備可調(diào)節(jié)性，大大提高了光纖光鑷技術(shù)的實(shí)用性；更為重要的是該陣列式光纖光鑷可以在光纖端形成致密的干涉網(wǎng)格光場陣列，在相干加強(qiáng)點(diǎn)形成光學(xué)勢阱對粒子實(shí)現(xiàn)篩選等功能。
文檔編號G02B6/255GK101907742SQ20101020348
公開日2010年12月8日 申請日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月21日
發(fā)明者張羽, 戴強(qiáng), 田鳳軍, 苑立波 申請人:哈爾濱工程大學(xué)