[发明专利]一种非接触式单光纤光镊及其制备方法

说明书

本发明提供的是一种非接触式单光纤光镊及其制备方法。它由纤芯圆周对称分布的特种光纤以及在其端面制备的的一个对称的反射锥台组成。所述的反射锥台结构是由特种光纤和无芯光纤焊接、拉锥并精密切割后形成，该锥台结构能够全反射特种光纤对称分布的纤芯内传输的光束，在端面外聚焦，形成捕获点。本发明可用于单个微小粒子的非接触式捕获、操纵与测量，可广泛用于单细胞操纵与测量领域。

技术领域

本发明涉及的是一种非接触式单光纤光镊及其制备方法，属于光操纵技术领域。

背景技术

光镊技术的提出为微小粒子的操纵、测试提供了一个强大的工具，尤其是在基于单细胞分析的生命科学领域，正是由于光镊的发明才使得对单细胞的操作分析随心所欲。

光镊可以分为传统光镊和光纤光镊两类。传统光镊通常包含高数值孔径的物镜、二向色镜、光源、反射镜等空间光学元件，并且当传统空间光镊与空间光调制器或者声光调制器等功能性光学器件结合，其强度大的光场调控能力使得对微小粒子的操纵更加方便、实用。但是一方面，这些空间光学器件通常来说都是相对昂贵的，一台高效的空间光镊系统也是造价不菲。另一方面，空间光镊具有相对较大的体积，并且固定的空间光路使其不适用于活体在体的捕获与测量。而光纤光镊就具备这些空间光镊所不具备的优势。首先，光纤的直径仅有125微米，并且可任意弯曲，空间灵活性高，这为无创的活体在体单细胞捕获和探测提供了很大的灵活性；其次光纤的造价便宜，一次拉制可以制备上百公里的光纤，这使得光纤光镊的成本相对于空间光镊来说要低得多。

光纤光镊的种类很多，基于不同的光纤、不同的微结构，各式各样的光纤光镊被提出。通常来说，单光纤光镊是要在光纤的尖端制备微结构，形成聚焦的光场以提供足够的梯度力捕获微粒。多芯光纤光镊结合端面锥台结构是经典的光纤光镊形式，例如专利CN100498394C提出的双芯光纤拉锥光镊，其将双芯光纤拉锥，制备出一个能压缩两束光场的尖端，实现微粒的捕获。但是该锥形的制备改变了双芯光纤的波导结构，聚焦点位于光纤的尖端，捕获的微粒与光纤的尖端相接触。为了解决非接触式捕获的问题，专利CN201611215144.4提出采用光纤端研磨的方法制备反射锥台结构，但是研磨的工艺需要长时间的精密抛光，并且研磨的时候锥台结构的轴对称性难以控制的很好。另外专利CN100580490C还提出在光纤端制备多个角度的斜面锥台结构，从而实现多个聚焦结构，实现基于单根光纤的多捕获点光镊，同样也是需要对光纤端进行研磨加工，制备工艺耗时、耗力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非接触式单光纤光镊及其制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种非接触式单光纤光镊。它由纤芯圆周对称分布的特种光纤以及在其端面制备的的一个对称的反射锥台组成。所述的反射锥台是由特种光纤和无芯光纤焊接、拉锥并精密切割后形成，该锥台结构能够全反射特种光纤对称分布的纤芯内传输的光束，在端面外聚焦，形成捕获点。

所述的纤芯圆周对称分布的特种光纤可以是纤芯圆周对称分布的多芯光纤，也可以是具有一个环形芯的环形芯光纤。

所述的反射锥台是由纤芯圆周对称分布的特种光纤和无芯光纤熔接后，在无芯光纤上，偏离焊点一段距离拉锥，并在锥体的渐变区域切割，形成的光滑、对称弧形反射锥台。反射锥台的形状与拉锥的参数有关，当锥长且平缓时，反射聚焦能量分布较松散，捕获力较弱，当锥短且陡时，反射聚焦点能量集中，捕获力较大。

通过调整拉锥的位置与焊点之间的距离大小，可以调整特种光纤纤芯中出射光束在无芯光纤中传输的发散程度，距离越大，光束出射的发散程度越大，光束经由锥台反射聚焦后在光纤轴向上能量分布长，有利于杆状的粒子的稳定捕获。

所述的特种光纤可以具备中间纤芯，反射锥台结构可以是由单模光纤与纤芯圆周对称分布的特种光纤熔接、拉锥并精密切割后，形成的具有中间芯波导结构的弧形反射锥台。中间芯光束能够通过纤端锥形单模光纤纤芯压缩输出，对捕获粒子进行光动力调整。