專利名稱：可實現(xiàn)微小粒子旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖微光手及制法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光纖技術研究領域。涉及一種多芯光纖微光手，特別是一種可實現(xiàn)微 小粒子旋轉(zhuǎn)的多芯光纖微光手。
背景技術：
光鑷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。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勢阱，用于實現(xiàn)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”，這篇文章 發(fā)表在Opt. Lett. 11，288-290。此后，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 ；為了進一步對所 捕獲的微小粒子的姿態(tài)進行控制，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 陸續(xù)出現(xiàn)苑立波等人提出的基于環(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現(xiàn)對微粒進 行捕獲、空間定位、使其空間旋轉(zhuǎn)等功能，但從未見可以發(fā)射捕獲粒子的光鑷報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種本發(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，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；可以在光纖端自然形成渦旋狀光學勢阱，使微粒實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的可實現(xiàn)微小粒子 旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖微光手。本發(fā)明的目的還在于提供一種可實現(xiàn)微小粒子旋轉(zhuǎn)的 衛(wèi)星式螺旋多芯光纖微光手的制法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的包括衛(wèi)星式螺旋多芯光纖、標準單模光纖、激光光源、光程改變裝置，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衛(wèi)星式螺旋多芯光纖之間熱熔融拉椎 耦合連接構成第一熱熔融拉椎位置，衛(wèi)星式螺旋多芯光纖附著在光程改變裝置上，經(jīng)過光 程改變裝置的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖再次經(jīng)過熱熔融拉椎操作構成第二熱熔融拉椎位置，衛(wèi)星式螺旋多芯光纖的另一端經(jīng)精細研磨的加工方式制成椎體形狀。所述的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖是三芯、四芯、五芯或六芯微結構光纖。所述的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖中的多個纖芯分為兩類，一類是位于軸心的中心纖 芯，另一類是位于偏心位置的繞軸心纖芯螺旋分布的衛(wèi)星式纖芯。所述的椎體形狀的錐體角度α滿足Ji/2-arcsin (Iiliquid ncore) < α < π/2的條 件。本發(fā)明的可實現(xiàn)微小粒子旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖微光手的制法為步驟1，耦合連接將一段標準單模光纖一端與激光光源常規(guī)連接，另一端與衛(wèi)星 式螺旋多芯光纖焊接，然后在焊接位置處進行熱熔融拉椎形成第一熱熔融拉椎位置，熱熔 融拉椎過程中進行光功率監(jiān)測，直到耦合到多芯光纖的光功率達到最大且各纖芯光功率分 布均勻時為止；所述多芯光纖是三芯、四芯、五芯或六芯衛(wèi)星式螺旋光纖；步驟2，附著光纖將導入光源的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖固定在光程改變裝置上，通 過調(diào)節(jié)頂絲位置改變多個纖芯方向位移以進行傳輸光束的相位控制；步驟3，干涉儀制備將經(jīng)過光程改變裝置的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖在處進行熔融 拉錐第二熱熔融拉椎位置，熱熔融拉椎過程中進行光功率監(jiān)測，直到耦合到線性陣列芯光 纖的光功率達到最大時為止；在第一熱熔融拉椎位置與第一熱熔融拉椎位置之間構成馬赫 澤德干涉儀結構，通過調(diào)節(jié)光程改變裝置實現(xiàn)光纖光鑷光阱力的控制；步驟4，錐體制備將前序操作后的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖的另一端進行精細研磨 成圓錐體形狀，半錐角α控制在Ji/2-arCSin(nli(luid/n。。J < α < π/2的范圍內(nèi)。本發(fā)明的可實現(xiàn)微小粒子旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖微光手，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，多芯光纖微光手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；更為重要的是該衛(wèi)星式螺旋多芯光纖微光手可以在光纖端自 然形成渦旋狀光學勢阱，使微粒實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)該操縱粒子的馬達功能。本發(fā)明的優(yōu)點和特 占是·1.本發(fā)明將衛(wèi)星式螺旋芯光纖引入光纖微光手控制系統(tǒng)，利用集成在一根光纖中 的衛(wèi)星式螺旋分布結構多個光波導纖芯在光纖尖端構成渦旋光場，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)明提出的在一根光纖中的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖出射光場形成的渦旋式光 學勢阱，可用于對微小粒子的旋轉(zhuǎn)操作；3.本發(fā)明將無需另外驅(qū)動，利用光纖自身的結構特征，即可獲得渦旋光阱力光場， 可以簡單、有效的實現(xiàn)微小粒子或微小馬達的轉(zhuǎn)動。可在生物和微加工領域有廣泛的應用。


圖1衛(wèi)星式螺旋多芯光纖微光手系統(tǒng)結構示意圖。圖2衛(wèi)星式螺旋多芯光纖與標準單模光纖熱熔融拉椎耦合連接示意圖。圖3衛(wèi)星式螺旋多芯光纖結構示意圖。圖4-1和圖4-2光程改變裝置結構示意圖。圖5衛(wèi)星式螺旋多芯光纖熱熔融拉椎示意圖。
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圖6衛(wèi)星式螺旋芯光纖端加工椎體形狀示意圖。
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為衛(wèi)星式螺旋多芯光纖，1-1為該光纖軸心位置纖芯，1-2為該光 纖衛(wèi)星纖芯，1-3為該衛(wèi)星式螺旋多芯光纖端加工制備的椎體結構，半錐角α控制在 Ji/2-arcsin(nliquid/ncore) < α < π/2的范圍內(nèi)，2為標準單模光纖，3為激光光源，4為光 程改變裝置，5為標準單模光纖和衛(wèi)星式螺旋多芯光纖直接耦合連接位置，6衛(wèi)星式螺旋多 芯光纖熱熔融拉椎位置，這樣在5和6之間便構成馬赫澤德干涉儀，通過調(diào)節(jié)光程改變裝置 4改變不同纖芯之間的光程差，實現(xiàn)該衛(wèi)星式螺旋多芯光纖光鑷出射光場光阱力的動力學 控制。結合圖2，為了將激光光源中的激光束引入到多個纖芯中，需要將單芯光纖與衛(wèi)星 式螺旋多芯光纖采用熱熔融拉椎的方式耦合連接，圖2中1為衛(wèi)星式螺旋多芯光纖，1-1為 該光纖軸心位置纖芯，1-2為該光纖衛(wèi)星纖芯，2為標準單模光纖，5為單模光纖與衛(wèi)星式螺 旋多芯光纖連接處。圖3中，1為衛(wèi)星式螺旋多芯光纖，1-1為該光纖軸心位置纖芯，1-2為該光纖衛(wèi)星 纖芯。結合圖4-1和圖4-2，將衛(wèi)星式螺旋芯光纖1附著在光程改變裝置上，通過移動頂 絲4-1的位置，使螺旋芯光纖附著的微彎板發(fā)生彎曲，因此，此衛(wèi)星式螺旋芯光纖中多個纖 芯之間的光程差會發(fā)生改變，以此實現(xiàn)對該光鑷光阱力的動力學控制。圖中，1為衛(wèi)星式螺 旋芯光纖，4為光程改變裝置，4-1為旋進頂絲，用以改變微彎板彎曲程度，4-2為光纖1附著 在光程改變裝置上的附著點。結合圖5，為了構建馬赫澤德干涉儀，需要在進過光程改變裝置的衛(wèi)星式螺旋多芯 光纖再次進行熔融拉椎，圖中1為衛(wèi)星式螺旋多芯光纖，1-1為該光纖軸心位置纖芯，1-2為 該光纖衛(wèi)星纖芯，2為標準單模光纖，6為衛(wèi)星式螺旋多芯光纖熱熔融拉椎中心錐點位置。圖6中1為衛(wèi)星式螺旋多芯光纖，1-1為該光纖軸心位置纖芯，1-2為該光纖衛(wèi)星 纖芯，為了能夠產(chǎn)生對微小粒子的捕獲力，研磨半錐角α控制在π/2-arcsinOiliquidAicJ < α < ji/2的范圍內(nèi)。本發(fā)明的基于衛(wèi)星式螺旋多芯光纖的微光手，包括衛(wèi)星式螺旋多芯光纖1，標準單 模光纖2，激光光源3，光程改變裝置4。激光光源3與標準單模光纖的一端2常規(guī)連接，標 準單模光纖2的另一端與衛(wèi)星式螺旋多芯光纖1之間熱熔融拉椎耦合連接，之后將該衛(wèi)星 式螺旋多芯光纖1附著在光程改變裝置4上，此后，將經(jīng)過光程改變裝置4的衛(wèi)星式螺旋多 芯光纖1再次經(jīng)過熱熔融拉椎操作，最后，此衛(wèi)星式螺旋多芯光纖1的另一端經(jīng)精細研磨 的加工方式制備成椎體形狀；衛(wèi)星式螺旋多芯光纖1可以是三芯、四芯、五芯甚至六芯微結 構光纖；衛(wèi)星式螺旋多芯光纖1的多個纖芯分兩類，一類是位于光纖軸心的中心纖芯1-1， 另一類是位于偏心位置的繞軸心纖芯1-1螺旋分布的衛(wèi)星式纖芯1-2 ；衛(wèi)星式螺旋多芯光 纖1與普通光纖2通過熔融拉錐的方式耦合連接，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；衛(wèi)星式螺旋多芯光纖 1與普通光纖2連接后，附著固定在光程改變裝置4上；經(jīng)由光程改變裝置4的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖1再次進行熱熔融拉椎操作；經(jīng)過前序操作的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖1的尾端經(jīng)精 細研磨操作，制備出椎體形狀，為實現(xiàn)捕獲粒子，此錐體角度α需滿足π/2-arcsin (Iiliquid/ ncore) < α < π /2 的條件。所述的用于構建螺旋多芯光纖的微光手的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖1，經(jīng)過熱熔融拉 椎后，此衛(wèi)星式螺旋多芯光纖1的尾端經(jīng)精細研磨操作，制備出椎體形狀，為實現(xiàn)捕獲粒 子，此錐體角度α需滿足Ji/2-arCSin(nli(luid/ncOTe) < α < π/2的條件。本實施方式的光纖微光手的制作過程為步驟1，耦合連接結合圖2將一段標準單模光纖2 —端與激光光源3常規(guī)連接， 另一端與衛(wèi)星式螺旋多芯光纖1焊接，然后在位置5處進行熱熔融拉椎，過程中進行光功率 監(jiān)測，直到耦合到多芯光纖1的光功率達到最大且各纖芯光功率分布均勻時為止。此光纖 可以是三芯、四芯、五芯甚至六芯衛(wèi)星式螺旋光纖，該螺旋結構如圖3所示。步驟2，附著光纖結合圖4，為了構建馬赫澤德干涉儀對線性陣列形纖芯心中傳 輸?shù)墓馐M行相位調(diào)制，將導入光源的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖1固定在光程改變裝置4上，通 過調(diào)節(jié)頂絲位置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，最終達到控制三芯光纖光學微手的光阱力分配的目的；步驟3，干涉儀制備結合圖5，為了實現(xiàn)馬赫澤德干涉儀結構，須將經(jīng)過光程改變 裝置4的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖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 合到線性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)光程改變裝置4實現(xiàn)該光纖光鑷光阱力的控制；步驟4，錐體制備結合圖6，將前序操作后的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖1的另一端進行 精細研磨成圓錐體形狀1-4，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，和光纖微手所處的液體折射率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，旋轉(zhuǎn)控制按照上述過程連接完畢后，通過改變光程改變裝置4的頂絲位 置，調(diào)節(jié)光纖中各光束的相位差實現(xiàn)出射渦旋光阱力光場，同時，當中心芯1-1光束產(chǎn)生光 阱力占優(yōu)勢時，可將捕獲住的微小粒子噴射釋放。
權利要求
一種可實現(xiàn)微小粒子旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖微光手，包括衛(wèi)星式螺旋多芯光纖、標準單模光纖、激光光源、光程改變裝置，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衛(wèi)星式螺旋多芯光纖之間熱熔融拉椎耦合連接構成第一熱熔融拉椎位置，衛(wèi)星式螺旋多芯光纖附著在光程改變裝置上，經(jīng)過光程改變裝置的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖再次經(jīng)過熱熔融拉椎操作構成第二熱熔融拉椎位置，衛(wèi)星式螺旋多芯光纖的另一端經(jīng)精細研磨的加工方式制成椎體形狀。
2.根據(jù)權利要求1所述的可實現(xiàn)微小粒子旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖微光手，其特征 是所述的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖是三芯、四芯、五芯或六芯微結構光纖。
3.根據(jù)權利要求2所述的可實現(xiàn)微小粒子旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖微光手，其特征 是所述的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖中的多個纖芯分為兩類，一類是位于軸心的中心纖芯，另一 類是位于偏心位置的繞軸心纖芯螺旋分布的衛(wèi)星式纖芯。
4.根據(jù)權利要求3所述的可實現(xiàn)微小粒子旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖微光手，其特征 是所述的椎體形狀的錐體角度α滿足Ji/2-arCSin(nii(luid/n。。J < α < π/2的條件。
5.一種可實現(xiàn)微小粒子旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖微光手的制法，其特征是步驟1，耦合連接將一段標準單模光纖一端與激光光源常規(guī)連接，另一端與衛(wèi)星式螺 旋多芯光纖焊接，然后在焊接位置處進行熱熔融拉椎形成第一熱熔融拉椎位置，熱熔融拉 椎過程中進行光功率監(jiān)測，直到耦合到多芯光纖的光功率達到最大且各纖芯光功率分布均 勻時為止；所述多芯光纖是三芯、四芯、五芯或六芯衛(wèi)星式螺旋光纖；步驟2，附著光纖將導入光源的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖固定在光程改變裝置上，通過調(diào) 節(jié)頂絲位置改變多個纖芯方向位移以進行傳輸光束的相位控制；步驟3，干涉儀制備將經(jīng)過光程改變裝置的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖在處進行熔融拉錐 第二熱熔融拉椎位置，熱熔融拉椎過程中進行光功率監(jiān)測，直到耦合到線性陣列芯光纖的 光功率達到最大時為止；在第一熱熔融拉椎位置與第一熱熔融拉椎位置之間構成馬赫澤德 干涉儀結構，通過調(diào)節(jié)光程改變裝置實現(xiàn)光纖光鑷光阱力的控制；步驟4，錐體制備將前序操作后的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖的另一端進行精細研磨成圓 錐體形狀，半錐角α控制在Ji/2-arCSin(nii(luid/n。。J < α < π/2的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種可實現(xiàn)微小粒子旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖微光手及制法。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衛(wèi)星式螺旋多芯光纖之間熱熔融拉椎耦合連接構成第一熱熔融拉椎位置，衛(wèi)星式螺旋多芯光纖附著在光程改變裝置上，經(jīng)過光程改變裝置的衛(wèi)星式螺旋多芯光纖再次經(jīng)過熱熔融拉椎操作構成第二熱熔融拉椎位置，衛(wèi)星式螺旋多芯光纖的另一端經(jīng)精細研磨的加工方式制成椎體形狀。本發(fā)明在節(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；對微粒的捕獲更加靈活、準確，具備可調(diào)節(jié)性；可以在光纖端自然形成渦旋狀光學勢阱，使微粒實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)該操縱粒子的馬達功能。
文檔編號G02B6/255GK101881858SQ20101019734
公開日2010年11月10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