[發明專利]一種可調單光纖微粒輸送器

有效

• 申請號: 202011011114.8
• 申請日: 2020-09-23
• 公開（公告）號: CN112071462B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 鄧洪昌;王瑞;苑立波
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G21K1/00
• 分類號: G21K1/00;G02B6/26
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供的是一種可調單光纖微粒輸送器。其特征是：它由多芯光纖、微球透鏡以及微納顆粒組成。本發明基于圓錐臺結構對外側多芯中光束的匯聚，實現了對微球透鏡的捕獲及其在光纖端面上的二維可控移動，又利用中央纖芯光束經過微球透鏡后形成的強匯聚光束實現對微納顆粒的三維捕獲，由于特制粒子在特定光波段會存在Fano、表面等離子體共振現象，使得微納顆粒主要表現出金屬特性而被彈射出去，最終通過改變外側多芯的光功率以及中央纖芯中光波波長就可以實現對微納顆粒的精準捕獲與彈射。本發明提高了光纖光鑷的操控精度，改善了光纖光鑷的捕獲特性，并且實現了對粒子的定向彈射功能。裝置主要用于對生物細胞、介質顆粒等微粒的推進輸運。

(一)技術領域

本發明涉及的是一種可調單光纖微粒輸送器，主要用于生物分子、生物細胞、藥物顆粒、納米團簇、膠體顆粒、介質顆粒等微小顆粒的光操縱、推進輸運以及光纖集成器件應用，屬于光纖技術領域。

(二)背景技術

1970年，Ashkin等首先提出利用光壓操縱微小粒子的概念，利用多光束激光的二維勢阱成功夾起并移動了水溶液中的小玻璃珠，后來，這種激光夾持微粒的技術經過不斷改進，所能捕獲的粒子尺寸越來越小。1986年，Ashkin等人采用大數值孔徑顯微物鏡會聚單束激光，在水溶液樣品中實現了對介質微球的三維光學捕獲。這標志著“單光束梯度力光阱”的誕生，被稱為“光鑷”[Optics Lett ers,18(5):288-290,1986]。

光纖光鑷克服了傳統光鑷的缺點，并以其結構簡單、價格便宜、傳輸光路柔性強及捕獲范圍大等優點越來越受到了人們的廣泛重視。光纖光鑷系統是利用經處理的光纖端面出射的激光束來實現對粒子的微操控。與基于顯微鏡的光鑷系統相比，光纖形成的光阱操縱靈活，被捕獲的生物樣品可以自由移動。微操縱系統簡單適用，光纖可以深入到樣品池中形成光阱，大大提高了光阱捕獲范圍，捕獲光學系統從觀察光學系統中分離出來，使得在系統中添加激光光束計量和光譜儀等測量設備有了較大的自由度。光纖光鑷的激光輸入端與帶尾纖的半導體二極管激光器進行光纖活動連接，無需外部光學系統，結構特別簡單。另外，半導體二極管激光器可以快速開關和調制，也滿足了激光多種微操縱實驗研究的需要。

最初發展的光纖光鑷多為由多根光纖組成的多光纖光鑷系統[Optics Communication,194(1-3):67-73,2001]，但由于其需要多個高精度電動微操控制多根光纖以實現微小粒子的捕獲，使得光鑷系統價格造價昂貴，因此逐漸被單光纖光鑷系統[OpticsLetters,18(21):1867-1869,1993]所取代。利用單根光纖對粒子實現三維捕獲操作，其光纖尖端需要經過特殊的加工，具體的加工方法有熔融拉錐法[Optics Express,14(25):12510-12516,2006]和特制研磨機研磨法。不同加工方法的共同目的是能夠構建合適的光纖錐形端以實現大梯度光學捕獲場的構建。

2013年研究者提出一種基于模式復用技術的單光纖光鑷[Optics Letters,38(14):2617–2620,2013]，該光纖光鑷可實現微小粒子捕獲功能的同時還能使其在光纖主軸方向進行微小的可控移動，這對基于標準通信用光纖的單光纖光鑷而言是其功能上的新突破。軸向位置可調實現后，自然會想到制備出橫向位移同樣可調的單光纖光鑷，但鑒于光纖自身軸對稱的特性，光束經光纖端匯聚后光場分布仍然關于光纖主軸對稱，因此在捕獲位置附近橫向移動始終難于實現。

盡管有研究者提出系列報道[中國專利CN102147500A，CN101950049A，CN101907742A，CN101893736A，CN101881858A]，提出基于多芯光纖的單光鑷技術，這些單光纖光鑷技術雖然能夠解決單光纖光鑷在捕獲粒子的基礎上更進一步操作粒子的功能，卻不能對粒子形成穩定的三維捕獲。此后，又陸續出現苑立波等人提出的基于環形多芯光纖的光鑷，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，這些新型光鑷能實現對單微粒或者多微粒進行捕獲、空間定位、使其空間旋轉等功能。對于利用多芯光纖實現“光手”功能，同時控制透鏡后方微納顆粒的定向彈射，尚未見相關的報道。